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

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-05-17
    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。 I_kA!^  
    *"4l}&  
    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。 "dE[X` }=  
    y~\uS  
    无焦镜头的建模 ^ 4Ff8Y  
    tmM; Z(9t  
    在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 R@/"B?`(f  
    5h Dy62PRr  
    g5u4|+70  
    D*?LcxX  
    无焦镜头的像质分析 !IB}&m  
    q)KOI` A  
    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。 #};Zgixo$  
    VZ y$0*  
    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。 [Fv,`*/sm  
    zA:q/i  
    UO!} 0'  
    @A(jo32  
    无焦 DSEARCH $|T Lt{ K  
     Zy8tI#  
    SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化 <h}x7y?  
    mZmEE2h  
    -5|el3%)  
    Q<ia  
    无焦的像差控制 U@{>+G[  
    @LDs$"f9=  
    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。 +DR{aX/ll  
    H*P+>j&  
    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。 :i@ $s/  
    J&}1=s  
    所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 Kv<mDA!  
    2;3&&yK2b  
    对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 C3~~h|:  
    G;ZN>8NB  
    对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数 D ] n|d+  
    VB T 66kV  
    PYA为边缘光线高度,可控制像高。 ;OD-?bC  
    </?ef&  
    PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 o@]n<ZYo  
    r KdsVW  
    PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 *.+F]-  
    ]` A*7  
    PUB是主光线角度。 +>Gw)|oX  
    >K1e=SY  
       Z7[S698  
    w'VuC82SZ  
    示例的DSEARCH宏 4xg1[Z%:  
    ~ _tK.m3  
    ~ b66 ;  
    BI<9xl]a  
    5 wN)N~JE  
    Zr A*MN  
    运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: PxvxZJf$@  
    8m `Y  
    搜索宏 pS7y3(_  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 <w8H[y"c  
    $ndBT+ i  
    aRI.&3-  
    ,1lW`Krx  
    QMrH%Y  
    #UI`+2w  
    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。 nA.U'=`  
    H1KXAy`&  
    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。 Gv }  
       :eB+t`M  
    YA控制 9.( [,J  
    MBKF8b'k  
    这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 $#W^JWN1  
    7!m<d,]N  
    改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 T?=]&9Y'  
    /RxqFpu|.  
    >c5   
    b].U/=Hs  
    *-q &~  
    ^nOh 8L;  
    YA+PYA控制 O*,O]Q  
    ZC<EPUV(  
    在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。 0JR)-*  
    '.S02=/  
    通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示: Qm"~XP  
    lb=fS%  
    \ :q@I]2  
    t U~q4$qqE  
    h4Arg~Or  
    Q`Pe4CrWvu  
    /~fu,2=7  
    ,nPnH1vb  
    YA+CAO控制 (I>SqM Y  
    '@\[U0?@K  
    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。 0QrRG$<4X  
    2~r2ErtS  
    aYHs35  
    -qpM 6t  
    `w@z Fc!"  
    Fy$ C._C$  
    c*" P+  
    wnLpf  
    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。 > #9 a&O  
    d& v 7l  
    bun_R-  
    l-h[I>TW  
    Bqk+ne  
    gQY`qz  
    优化宏 29|nt1Z  
    5N ;xo??  
    请评论区留言联系工作人员获取代码 q9InO]s&~=  
    Ip8:~Fl]  
    基本参数 p_apVm\t_  
    >Apa^Bp  
    P$^I\aGO  
    [kgCB7.V  
    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: ]lE5^<<  
    ;4v`FC>  
     
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