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。
N4To#Q1w <c ovApx 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。
\u]CD}/ A&P1M6Of 无焦镜头的建模
lk +K+Ra/ \ZFQ?e,d 在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。
\B2d(=~4 ~+#--BhV
|"yf@^kdC z/KZ[qH\ 无焦镜头的像质分析
4*vas]
{%_j~ 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。
%EGr0R( e_=pspnZ 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。
@E}X-r.^f
xD
u7"VeTz "F"_G 无焦 DSEARCH
g`OOVaB wz+5
8( 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。
9"aFS=>< ]zyX@=mM
dPx<Dz; atf%7}2 无焦的像差控制
b!]0mXU naIv= 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。
ZB[(Tv1 JblmXqtC 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。
5)yOw|Bd `OP>(bU0 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。
)M'UASB;8 kV ,G,wo 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。
m*!f%}T 9U)t@b 对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的
参数:
cVay=5]. 3%R{"Q" PYA为边缘光线高度,可控制像高。
EF=dXm/\ ^%8qKC`Tt PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。
(
f,J_ gKN}Of@^1 PYB是主光线的高度,可以控制光阑。
Mi}I0yhVm ole|J PUB是主光线角度。
<'[Ku;m :Sc8PLT
d9Z&qdxTKq 6z3T?`}Y 示例的DSEARCH宏
Cqgk >`89N'lZBm
C]'g:93L lRDxIuTK
wn+j39y?ZY V5a?=vK9 运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构:
#SQvXMT @H\pipT_b 搜索宏
a jQqj. 请评论区留言联系工作人员获取代码
S<nP80C
4;C*Fa
)'5<6Q.] b,s Gq
&$qF4B* kG1;]1tT# 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。
qO-C%p
[5 `l/:NF 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。
M
XZq 9g
Bjxqm YA控制
S
Pn8\2Cj B6bOEPQ 这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
Zx+cvQ 'y9*uT~ 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。
MZ|\S/ 3ai (x1%
AkrTfi4hC fcRj
'{[!j6wt\ lC#RNjDp/~ YA+PYA控制
MO[kr2T }:`5,b%Y_ 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。
ljPq2v ] ^qxdmMp)l 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:
m0A# 6=< Ly9Q}dL
5W+{U8\ ^m*3&x8
_(C^[ :s ITyzs4"VV
XHxz @_rw v f`9*x F YA+CAO控制
naz:A &=6%> 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。
}A|))Ao| Sx8l<X
W57&\PXYn |;P^clS3
q
IM FV
A
UR
_J,xT @\)fzubu 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。
2FGx _Y s~^*+kq
rvic%bsk a/~29gW8E\
B{p4G`$i1 *Bs^NU. 优化宏
w
NH9WG )1f+ld%R 请评论区留言联系工作人员获取代码
d$K=c1 @l~7x 基本参数
-Q$b7*"z( HA!t$[_Ve
"9@,l! EJLQ&oH[ 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:
UfR~%p>K e_/x&a(i8