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。
xPqpNs-, cZL"e 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。
>FHTBh& Y Fw:s3ON9} 无焦镜头的建模
Uy ;oJY oTOe(5N8a 在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。
~PuPY:" >C_! }~
=KT7ZSTV Ltcr]T(Ic 无焦镜头的像质分析
txr!3-Ne'! c<JJuG 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。
%8
cFzyE* . 36'=K 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。
$K<jmEC@< sut j
G`m
Q*$x!q !l6B_[!@ 无焦 DSEARCH
O0b8wpFf Kr]!BI?z 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。
& PHHacp TaM,9MAu
(U/[i.r5Cj ;
@Gm@d 无焦的像差控制
{LJCY<IGq f$V']dOj1q 无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。
dJNYuTZ' F$F5N1< 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。
m!;mEBL{ tvRa.3 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。
?\\
]u Vzbl*Zmx 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。
FG#E?G ;p\rgam 对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的
参数:
b'9G`Y s^ 'U}i<^,c PYA为边缘光线高度,可控制像高。
1ygu>sKS&A 8agd{bxU PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。
k~=-o>}C x6Z$lhZ PYB是主光线的高度,可以控制光阑。
]iLfe&f Vg[U4, PUB是主光线角度。
{AIZ, (nda!^f_s
zi*D8!_C z
eIBB 示例的DSEARCH宏
=Z-.4\ 3 >+oQxml6nI
&2?kD{ JI\u -+BE
NJl|/(]v ]s,T`
(& 运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构:
m@HU;J\I 2~]c`/M3 搜索宏
2?-}(F;Z 请评论区留言联系工作人员获取代码
a.8 nWs^ ;oR-\;]/.
>!WJ{M0 E?08=$^5%
kFk+TXLDIt 4dfe5\ 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。
iv;;GW{2 pd X9G 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。
2! wz#EC Zqam Iq YA控制
?'_iqg3 Hh!x&;x} 这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
GB[W'QGiq K{|;'N-1 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。
xOu
cZ+ C t SAo\F
RPp_L>&~< Y}f%/vus
XTeU2I +U6!
bu>C YA+PYA控制
]i$CE|~ <<;j=Yy({` 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。
NWNgh/9? ![Jxh,f 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:
$V\xN(Ed 3{$cb"5
[;.zl1S< u8[X\f
J-,T^Wv :wn![<`3q
g" M1HxlV a<\m`
Es= YA+CAO控制
1y?TyUP 3d,|26I 7f 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。
"ht2X
w 2'@0|k,yC
~sA}.7 ~KX!i
8+X
+F0M?, &2) mpY8xQ
m*I5 \ }QC:!e,yG 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。
PqP)<d'/ 1P[!B[;c
="I]D
I f8uVk|a
;#j/F]xG ("9)=x *5 优化宏
S:R%%cy p6ZKyi 请评论区留言联系工作人员获取代码
(oTx*GP>Y *np%67=jO 基本参数
?. ~@ lE ^,`yt^^A
#U6Wv1H{Lp %F{@DN` 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:
I/'jRM KD#ip3