[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。 9"Vch;U$  
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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。 +jzwi3B`  
V4cCu~(3;~  
无焦镜头的建模 {~.~ b+v  
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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。 V@gweci  
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Df;EemCh  
无焦镜头的像质分析 L/Cp\|~ O  
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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。 i oX [g
 
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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。 *,$cW,LN  
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无焦 DSEARCH [{.e1s<EK  
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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。 &u5OL?>  
AR9D;YfR~  
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无焦的像差控制 e~tgd8a2a  
-dXlGOD+C  
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。 OO?d[7Wt0  
#clOpyT*  
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。 N@D]Q&;+(T  
Rh!B4oB4  
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。 FEqs4<}E  
R=uzm=&nR  
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。 C!KxY/*Px  
+X[+SF)!  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： b~;gj^  
Xv[5)4N  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 wQR>S>p  
hLYy  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 `#O%ZZ+  
g)7~vm2/,
 
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 l,cnMr^.W  
8U,VpuQ:  
PUB是主光线角度。 Rf*we+  
l1(6*+  
   yo\R[i(  
*'5
)CC  
示例的DSEARCH宏 C:S*juK  
7.7aHt0  
B/"TaXVU  
%UIR GI  
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FT.6^)-  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 8MIn~  
V_b"^911r  
搜索宏 s"u6po.'  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ckR>ps[u  
P2y`d9,Q  
K9{3,!1  
e/+_tC$@p@  
|wF_CZ*1  
bf1Tky=/  
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 0,~f"Dyqy  
9a\H+Y~  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 \o-9~C\c*  
   a%\6L  
YA控制 m]C|8b7Y  
WiDl[l"{9  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 C\%T|ZDE  
s98Jh(~  
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 E P1f6ps  
h"~i&T h  
MW^(  
:bBLP7eyV  
9W^sq<tR  
'p%aHK{  
YA+PYA控制 m Acny$u  
g]kM7,/M  
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。 g.L~Z1-  
isU7nlc!  
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： --S1p0  
X#;n Gq)5  
8 $5 y]%!  
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F4M )x`  
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;v#BguM  
Y.}"<{RQ  
YA+CAO控制 UCu0Xqf  
;_$Q~X  
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。 { XI0KiE  
}j+Af["W?  
`'W/uCpl  
aPU.fER  
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-|z ]Ir  
;$a+ >  
KjWF;VN*[3  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 T]er_n  
J&P{7a  
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优化宏 G3.*fSY$.<  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 wDQ@$T^vh  
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基本参数 L/J1;  
34*73WxK  
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UC e{V]T  
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： Ob~7w[n3  
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