[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。 vp|.x |@  
\Dx5=Lh  
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。 boeIO\2}P0  
y F;KyY{  
无焦镜头的建模 |-Q="7b%  
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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。 W.sH  
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图片:1.png

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Dzr(Fb  
无焦镜头的像质分析 Bk;/>gD  
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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。 6^QSV@N|  
gR76g4|=;  
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。 3kW%,d*_  
BJP^?FUd=,  

图片:2.png

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t~V?p'a0ys  
无焦 DSEARCH CyKupJ.Fq  
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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。 lPA:ho/`:  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 v$~ZT_"(
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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。 -(VX+XHW  
S{S.H?{F  
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。 F*_ytL  
OV`#/QL  
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。 oTb4T=  
#eY?6Kjn  
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。 }kF*I@:g  
!{S HlS  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： BDcA_=^R&  
evE$$# 6R  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 !glGW[r/7  
&\5%C\0Z<  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Eemk2>iP?  
&d6  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 9$=o({  
PS/00F/Ak  
PUB是主光线角度。 PbIir=  
+8 }p-<a  

图片:4.png

   9t"/@CH{  
EViDMp"  
示例的DSEARCH宏 tW \q;_DSr  
Ixr#zt$T-G  

图片:5.png

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9._Osbp3P  

图片:6.png

OcZ8:`=%  
K)nn;j=  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： &-(p~[|  
+7$zL;ph=n  
搜索宏 #RTiWD[o  
请评论区留言联系工作人员获取代码 2@?\"kR"!  
(I ~r~5^  

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/F_(
&H!m  
!A#(bC  

图片:8.png

(E<QA  
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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。 &)F#cVB  
!--A"  
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。 la*c/*  
   #2Z\K>L  
YA控制 ?gl[=NV  
gB}UzEj^<  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 $?dutbE  
8BggK6X  
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。
[|dQZ  
Sj9NhtF]f  

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Pskg68W  
['\u?m  

图片:10.png

%z5P%F'5   
]?n~?dD{]  
YA+PYA控制 z|WDqB%/I  
N-<m/RS  
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。 Z >F5rkJ  
{aYCrk1  
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： YN($rAkL  
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图片:11.png

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)+v'@]r  

图片:12.png

@Yzc?+x  

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图片:13.png

h$I 2T  
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YA+CAO控制 :P:OQ[$  
r^$WX@ t&  
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。 Bw8&Amxx:  
@DK;i_i  

图片:15.png

EP}NT)z,{  
0\Ga&Q0-(O  

图片:18.png

k5TPzm=y{  
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图片:16.png

YDdY'd`*  
drEND`,@6|  
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。 5Q.z#]Lg  
O*y@4AR"S  

图片:17.png

z\r|5Z  
EE[JXoke  

图片:18.png

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Y-Lk+  
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优化宏 e+7x &-+  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 XY1b_uY  

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基本参数 Fmu
x#}Z  
t}2$no?  

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MTB4|{  
Mg}8 3kS  
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： P1Chmg  
s2M|ni=  

图片:20.png