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。
T_)G 5a pF/s5z 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。
45Hbg cS#yfN, 无焦镜头的建模
X{Ij30Bmv o4U0kiI@ 在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。
*[Im]. Q2qT[aD,
d0V*[{ +?)R}\\ 无焦镜头的像质分析
.no<#l l#IN)">1 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。
vN&(__3(( O@HL%ha 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。
r17"i.n v`hn9O
qr4.s$VGs* (T!#7 无焦 DSEARCH
!LM9 p(>D5uN_}5 SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行
优化。
?U+nR/H:6 (<2!^v0.M
&6e A. yXQ 28A 无焦的像差控制
`*WzHDv5p ]TVc 'G; 无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。
i&KBMx Dy&{PeE! 设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。
&$bcB]C\3 KwNOB _ 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。
>-,$ h0] bIT{ 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。
[gGo^^aW# (QTQxZ 对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的
参数:
l6-
n{zG {ub'
PYA为边缘光线高度,可控制像高。
.On3ZN 3aw-fuuIb PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。
Q[c:A@oW )# v}8aL PYB是主光线的高度,可以控制光阑。
OP|X- y[ZVi5) , PUB是主光线角度。
(ys<{Y-; / hg)=p
JmC2buO Rrrq>{D 示例的DSEARCH宏
N6Dv1_c, fI,2l
P~84#5R1 G\R6=K:f7
=om<* \vsO 9a#Y
D;-p 运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构:
@=OX7zq\h- :Wihb#TO) 搜索宏
$9h^tP'CV 请评论区留言联系工作人员获取代码
P{HR='2 W/VEB3P>Z
&14xYpD< 558!?kx$
&oE'|^G \E6 0 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。
Y.q$"lm7k *x_e] /} 但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示,在近轴光线追迹的结果中,光阑确实是在最后一个表面,但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。
#r,!-;^'p fZ(k"*\MZ YA控制
7Y)i>[u3 LVy`U07C V 这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
<kJ`qbOU ju!V1ky 改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。
W6RjQ1 He%v 4S
!C(PfsrR/ %jJIR88
/i
?4# YA+PYA控制
"MD6 <H |n;5D,r0C 在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。
lt yhYPS K+d{R=s^ 通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示:
`4e| I.`^r a]J>2A@-I
sX]gL oN)I3wO$
2V~uPZ cG (%P$
VtMnLFMw 3v&Shb?xb; YA+CAO控制
xVrLoAw Esm=sPW 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。
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{{)pb>E 2km0
3EH@tlTl ^Nt^.xi7
8bf@<VTO_ D~TlG@Pq 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。
wv=U[:Y '@zMZc!
Bc`L]< Ur ol)_3X
O_ vH w^ xiL+s- 优化宏
,Y16m{<eC WEoD?GLS8 请评论区留言联系工作人员获取代码
=iB$4d2 6W~JM^F 基本参数
8Q0/kG *^XMf
6G(K8Q{> sLzZ}u?( 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:
i2-]Xl ^E)8Sb9t