[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。 *l9Wj$vja  
BJ,D1E  
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。 s ~Xa=_+D  
xJemc3]2  
无焦镜头的建模 K|
Kc.   
("!P_Q#  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 O S%  
Zp'q;h_  

图片:1.png

UU;U,q  
OMM5p=2Q  
无焦镜头的像质分析 eCfy'US;@3  
a"Q>K7K  
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。 `
rQDX<?  
kE`V@F  
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。 $6Az\Iu *  
=|Vm69  

图片:2.png

X) O9PQ  
?VCM@{9  
无焦 DSEARCH 7LZA!3  
3{"MN=  
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。 Ku3/xcu:My  
V#-\ 4`c  

图片:3.png

+`_Km5=  
7~H.\4HB  
无焦的像差控制 <JkmJ/X  
Q(0eq_X|6  
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。 zh60b{  
[e.@Yx_}  
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。 Hi5}s  
W%,h{  
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。 E!SxO~  
>^|(AzS  
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。 miv)R  
g$a 5  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： l+n0=^ Z  
 ~d\>f  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 Sb,lY<=  
@+EO3-X5  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 KvtX>3#qM  
`k.Nphx~%  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 DI,8y"!5  
Z7:TPY$b  
PUB是主光线角度。 ?loP18S b  
){S/h<4m  

图片:4.png

   -!JnyD  
VHlo}Ek<#  
示例的DSEARCH宏 /~nPPC  
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图片:5.png

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p^/6Rb"e  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： ;VlA~tv  
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搜索宏 [L4s.l_#  
请评论区留言联系工作人员获取代码 JrhDqyk*  
Y-vLEIX=  

图片:7.png

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U)B^R  

图片:8.png

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kntM  
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。 8&2W^f5  
v5Qp[O_  
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。 rM5{R}+;  
   IP3%'2}-  
YA控制 c(5r  
Q xg)Wb#  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 NL7CeHs5  
U5!T-o;3}  
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。 mYRW/8+g  
IJz=SV  

图片:9.png

}US^GEs(  
c^a Dr  

图片:10.png

']cRSj.  
.*_uXQ  
YA+PYA控制 nJ{vO{N  
PW)Gd +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。 d>OLnG> F  
6Rcl HU  
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： "S ~(|G  
D<SLv,Y  

图片:11.png

r'5~4'o$  
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图片:12.png

^w1&A3=6  
\u@*FTS  

图片:13.png

Z#nPn>,q  
ay-M.J  
YA+CAO控制 5S&'O4yz^  
e <]^7pz  
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。 ']]5xH*U  
_t'S<jTI  

图片:15.png

52H'aHO1  
/yhGc}h  

图片:18.png

+T|M U  
qzbpLV|
  

图片:16.png

Iq%f*Zm<  
C 7e  
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。 <!m'xOD  
:1/K$A)^{  

图片:17.png

GiH<6<=  
S.Rqu+  

图片:18.png

y8k*{1MuO  
,KO_h{mI<  
优化宏 dY6A)[dAH'  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 _5%NG 3c  
_pZaVx   
基本参数 gqCDF H  
ZA>p~Zt  

图片:19.png

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o fw0_)!Q  
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： J#OiY  
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