[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。 tklU zv  
zdn e2  
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。 GFvZdP`s4  
f(DGC
2R <  
无焦镜头的建模 +3vK=d_Va  
Ig1cf9 :  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 yY*OAC  
HKP\`KBCj  

图片:1.png

xk86?2b{)  
2uw%0r3Vi6  
无焦镜头的像质分析 @{.rDz
 
6KhHS@Z  
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。 ,KkENp_  
>8SX,  
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。 [w~teX0!  
{a_=4a  

图片:2.png

pw:<a2.  
-!">SY\  
无焦 DSEARCH T~Jl{(s9)  
F=B>0Q5  
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。 5gI@~h S  
EBw}/y{Kt  

图片:3.png

%kNkDI  
.EH^1.|v  
无焦的像差控制 H1|X0a(j  
sx8mb
a(  
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。 Mim 9C]h(  
Du$kDCU  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 gU>Y  
]G&?e9OA  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 4_PMl6qo  
N&S:=x:$S  
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。 /lttJJDU  
D.qbzJz  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： S~YrXQ{_>-  
xQ1&j,R]  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。
%S>lPt  
AyNl,Xyc4  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 3`#sXt9C  
!i_5XcH  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 4OCz:t  
Ca+d ?IS  
PUB是主光线角度。 ZH_ J+  
$+JaEF`8  

图片:4.png

   &#.XLe\y  
w \0=L=J  
示例的DSEARCH宏 nImRU.;P  
.eZ4?|at.F  

图片:5.png

k6[t$|lMy  
:+]6SC0ql  

图片:6.png

.d8) *  
bL *;N3#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： `mw@"  
Ofqe+C  
搜索宏 f`WmRx]K  
请评论区留言联系工作人员获取代码 AP3SOT3I  
3m7$$N|  

图片:7.png

SL%4w<  
2)[81a  

图片:8.png

qK|r+}g|&  
3p!R4f)GN  
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。 ,dBtj8=  
BH
ZGQm  
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。 Y0|~]J(B  
   %<1fj#X8  
YA控制 =*Wl;PI'  
MB^b)\X  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 =5dv38  
* +A!12s@  
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。 vU{ZB^+&6o  
.s7/b
F  

图片:9.png

1Lj\"+.  
Ta/G  

图片:10.png

&lI.N~Ao  
v%zI~g.L  
YA+PYA控制 7 hnTHL  
uT;Qo{G^  
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。 L>@0Nne7  
dUjdQ  
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： H7qda'%>  
Mv4JF(,S  

图片:11.png

=N7N=xY  
X$JKEW;0BP  

图片:12.png

^o?.Rph|i]  
D*D83z OzN  

图片:13.png

)- 2^Jvc  
}b\d CGVr  
YA+CAO控制 ?r'b Z~  
[&+wW  
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。 !\|&E>Gy  
zT_{M qY  

图片:15.png

}s{zy:1O  
n4Q!lJ  

图片:18.png

/-BplU*"9  
p[Q
   

图片:16.png

{Qw,L;R  
(x.K%QC)  
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。 NO* 1km[#  
Lk3@Eu)  

图片:17.png

9^ mrsj  
A|y&\~<A  

图片:18.png

aYPzN<"%  
,qv
z:a  
优化宏 {Lq uOC1  
h
?p^DPo  
请评论区留言联系工作人员获取代码 &lGp /m:  
^lf;Lc  
基本参数 |L`w4;  
Yj0Ss{Ep  

图片:19.png

/1MO]u\  
w,`x(!&  
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： PkG+`N  
=BX<;vU  

图片:20.png