[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。 YJsi5  
F'*4:WD7  
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。 5(Oc"0''H  
"V2$g  
无焦镜头的建模 x*V<afLY[  
IBsn>*ja<  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 W{aNS@1  
_"`h~jB  

图片:1.png

pBLO  
Gjr2]t;E  
无焦镜头的像质分析 yK3z3"1M?  
5,Zn$zosJC  
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。 r U5'hK  
7C^ nk z  
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。 px@\b]/  
E3.s8}}  

图片:2.png

{*Pp^r  
R0'EoX  
无焦 DSEARCH cIjsUqKa  
g7i6Yj1  
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。 TaG-^bX8B  
xM\ApN~W  

图片:3.png

k6S<46}h|  
|&vuK9q  
无焦的像差控制 \f#ao<vQm  
O1,[7F.4g  
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。 w4
a7c  
6Tnzg`0I  
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。 W[s>TDc`v  
XT"c7]X  
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。 P+h&tXZn8  
OFv} jT  
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。 p6'8l~W+  
qzz'v  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： ri ~2t3gg  
g_U6
9 z  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 4^&vRD,  
5@ug1F&  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 eHR<(8c'f  
iXFaQ  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 >^&+,*tsS4  
T^_9R;  
PUB是主光线角度。 ZI7<E  
HJmO+  

图片:4.png

   at!?"
u  
3 6 ;hg#  
示例的DSEARCH宏 -wB AFr  
cht#~d  

图片:5.png

9&cZIP  
b3+PC$z2h  

图片:6.png

<X?F :?Mk  
?}[keSEh>  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： bd4q/w4q  
eORt qX8*  
搜索宏 3nO|A:
t  
请评论区留言联系工作人员获取代码 k&b>-QP6  
'#PT C,0UJ  

图片:7.png

N2>JG]G  
)c/] 8KU  

图片:8.png

0*)79Sz  
#82B`y<<y/  
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。 $Tg$FfD6&  
;Peyo1  
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。 AN@Vos Cu  
   ]NCOi?Odx  
YA控制 art{PV
4-  
c,@6MeKHq  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 :R)IaJ6)  
F}Au'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。 \1ZfSc  
a|.u;  

图片:9.png

|NI0zd  
S~T[*Z/m  

图片:10.png

Y*Pr

 
>KE(%9y~  
YA+PYA控制 5 F-Q&  
{-xnBx  
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。 GOt@x9%  
nV,a|V5Xm  
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： (I$hw"%&  
QUt!fF@t  

图片:11.png

$[Fk>d  
;>~iCFk]?  

图片:12.png

^N]*Zf~N?  
%9j]N$.V  

图片:13.png

R`c5-0A  
Sz =z TPnO  
YA+CAO控制 7%hMf$KQ  
c&Dy{B!  
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。 &b_duWs  
xRfX:3  

图片:15.png

B4kIcHA  
~L2Fo~fw  

图片:18.png

YW*ti|u|w  
:z[SI{Y  

图片:16.png

9:1ZL_yf  
-8
]$a6`{_  
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。 | !Knd ^}  
%\A
~w3E  

图片:17.png

kW"N~Xw)  
,D8Tca\v  

图片:18.png

COa
p*  
,-):&V:jF  
优化宏 U-@\V1;C  
<*L8kNykK  
请评论区留言联系工作人员获取代码 O_~\$b  
2n\EZ  
基本参数 p|zW
2L  
Qi9SN00F.  

图片:19.png

j:0z/gHp$  
`W5f'RU  
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： kp[Jl0K5  
Lr`yl$6  

图片:20.png