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。
[+MX$y _X2EBpZp 在
激光光学中会用到无焦系统,例如扩束器、红外线及前视红外线系统、相机变焦镜头、像 teleside 转换器等
望远镜头配件以及结合相机及望远镜的无焦摄影。
'uf\.F "$IXZ 无焦镜头的建模
Sa1z,EP 9+8!xwR: 在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。
9kX=99kf[ D@\;@(
|
X:``{!~geo ?X#/1X%u: 无焦镜头的像质分析
pjHRV[`AP ^2C /!Y< 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。
iA3>X-x
l/png: 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。
ig2+XR#% +fd@K
c@ZS|U*( BF@5&>E 无焦 DSEARCH
VwOG?5W/ Q-8'?S 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。
t.E4Tqzc> w &|R5Q
:K^gu%,&$ % nmY:}um 无焦的像差控制
)b&-3$? W[>iJJwz 无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。
*K,hrpYR /j' B\, 设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。
Wyq~:vU.S MZ5Y\-nq\ 所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。
J}(6>iuQY? GjeUUmr 对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。
`D)Lzm R 4N~+G ` 对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的
参数:
%0yS98']g 1^L`)Up PYA为边缘光线高度,可控制像高。
+:> J Z$
x*h?%egB!p PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。
oe!:|ck< )_77>f% PYB是主光线的高度,可以控制光阑。
`k(u:yGK l801`~*gO PUB是主光线角度。
Sk/#J!T8{ \T`["<
?h!t$QQ!M &:c:9w 示例的DSEARCH宏
T~%H%O(F /Fv/oY
#M5_em4kN $s-9|Lbs`
wfxOx$]zK ge0's+E+1 运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构:
~n[b^b
JFM"ii{8 搜索宏
7L=T]W 请评论区留言联系工作人员获取代码
L
42|>%uo 8F zHNG
{ITv&5?> -<^jGrb
fyI_ x*.Ye5Jb 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。
dG&2,n'f ?ork^4 $s 但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示,在近轴光线追迹的结果中,光阑确实是在最后一个表面,但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。
k$C"xg2 C"6Amnj YA控制
[2Iau1<@ K~c^*;F 这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
I[#U`9Dt u(W^Nou/+ 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。
ajW[eyX $`|5/,M%QN
RCzV5g 3&es]1b
U.: sK* Bwjg#1 E YA+PYA控制
osl=[pm 8QV t,
'I 在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。
O -G1})$ XE9)c
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:
Rab#7Q16Q8 Y2<dM/b/
yI8 SQ$w0y K<FKu $=
PdT83vOCE @0$}?2
{VR`; yz?q(] YA+CAO控制
F)
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5/
) 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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y0<Uu Zd[OWF 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。
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il `m%:rE,
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6UlF5pom M ?*Tf& 优化宏
tjj^O%SV< #|Oj]bd(= 请评论区留言联系工作人员获取代码
}p=g*Zo*C; EWA;L?g|A 基本参数
qK?$=h. cx{T
'1
`}gdN}; W5.Va. 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:
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