[原创]无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课 [复制链接]

本文将展示使用 SYNOPSYS 软件进行无焦镜头的设计。“无焦”是相对有焦来说的。无焦系统（afocal system）也称为远焦系统或焦外系统，是指对光束没有净发散或净聚焦的光学系统，系统中共轭物和共轭像都在无穷远处，也就是说光学系统的等效焦距为无限大。 aD2CDu  
N:gstp  
在激光光学中会用到无焦系统，例如扩束器、红外线及前视红外线系统、相机变焦镜头、像 teleside 转换器等望远镜头配件以及结合相机及望远镜的无焦摄影。 sJYKt  
M'!!EQo  
无焦镜头的建模 $nD k mKl  
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 loqS?bC]  
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图片:1.png

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yn ?U7`V  
无焦镜头的像质分析 ~E:/oV:4 >  
['N#aDh.?  
有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 .n|3A3:  
Rp@}9qijb  
无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 YWBP'Mo  
0?4^.N n3  

图片:2.png

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无焦 DSEARCH MT#[ -M\  
s)&R W#:X  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 }";hz*a  
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图片:3.png

=L; n8~{@y  
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无焦的像差控制 ewff(e9  
CYic_rF$  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 %!hA\S  
cJE>;a  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 m5Laq'~0_  
fO}1(%}d  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 qaSv]k.  
1MzB?[gx  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 wYxFjXm  
;7og  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： &)'kX
  
w!Lb;4x ?  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 1~ZHC[ `  
0PX@E-n  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 H-y-7PW*~  
F9G$$
%Q-Z  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 +z/73s0~  
K]azUK7  
PUB是主光线角度。 Erymx$@P  
*q9$SDm  

图片:4.png

   Q^5 t]HKn  
)UU6\2^  
示例的DSEARCH宏 K0!#l Br  
E^>7jf09,  

图片:5.png

ha'm`LiX  
XXdMppoR  

图片:6.png

k/rkJ|i+p  
R$'nWzX#  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： mp$II?hZ*  
M]:B: ;  
搜索宏 ZFw743G  
请评论区留言联系工作人员获取代码 YO4ppL~xe  
w5G34[v  

图片:7.png

9 u89P  
+?eAaC7s  

图片:8.png

FQ&VM6_  
.cK  
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 Z`h_oK#y15  
n7<-lQRaxZ  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 O*"wQ50Ou  
   VTkT4C@I;Y  
YA控制 !Dn1pjxc  
Z s!q#qM  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 Gi_X+os  

;Cpm3at  
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 g}`CdVQ2M<  
)n61IqrW  

图片:9.png

fH{$LjH(  
B ~bU7.Cd  

图片:10.png

9_^V1+   
i; uM!d}  
YA+PYA控制 ;{u#~d}  
e"09b<69  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 e/l?|+m 6  
iFT3fP'> 5  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： 5%$kAJZC-  
c=mFYsSv  

图片:11.png

N^j''siB  
M4]|(A  

图片:12.png

E 4(muhY  
U}5KAi 9Z  

图片:13.png

M#IR=|P]  
V#FLxITk  
YA+CAO控制 #rC+13  
D'=`O6pK  
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 T
3 /LUm  
C!A_PQ2y  

图片:15.png

gC:E38u  
jtJU5Q  

图片:18.png

1%{(?uz9  
2^j9m}`  

图片:16.png

dv>zK#!  
g7ROA8xu  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 :\cJvm  
*gKr1}M  

图片:17.png

.5zJ bZ9  
qTex\qP  

图片:18.png

nP /$uj  
=sJHnWL[  
优化宏 8BdeqgU/_  
}gt~{9?c  
请评论区留言联系工作人员获取代码 L32ki}2  
&}?e:PEy  
基本参数 11'Tt!  
'f!Jh<i  

图片:19.png

vDL/PXNC  
247>+:7z  
无焦的变焦镜头也可以用ZSEARCH功能进行初始结构搜索，不同于有焦镜头用理想像高作为前后变焦位置的目标，而是和DSEARCH一样用PYA和PUB确定最前和最后变焦位置的像方参数，由此确定变焦的搜索目标： (\_d'Js(;  
qdZYaS ~  

图片:20.png