[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。 x(ue |UG  
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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。 ^Cs?FF@P  
3+ JkV\AF  
无焦镜头的建模 $t}t'uJ  
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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。 )!+~q!A  
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无焦镜头的像质分析 `o4alK\  
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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。 .W>LEz
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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。 <#H
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无焦 DSEARCH ^qvN:v$1  
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SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 uI lm!*0  
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无焦的像差控制 O1xK\ogv  
p^J=*jm)x  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 fXD9w1  
N=%4V  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 ;@/^hk{A  
-9)H[}.  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。
' m^nKG$"  
jTHgh>n  
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。 Pnl+.?  
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： !:BmDX[<n  
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 ?E +[  
Z/G`8|A  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 f N_8HP6&  
{mOQRAKl  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 \P~h0zg?  
UmEc")3  
PUB是主光线角度。 R^*%yjy9  
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\M|iAo  
   HAKB@h)  
-HQ(t  
示例的DSEARCH宏 C"7-lz  
1RHFWK5Si  
Te d1Ky2O  
@y1:=["b  
X\Gbs=sf6  
a*2JLK  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： -_[ZRf?^  
0Ba*"/U]t~  
搜索宏 0^('hS&  
请评论区留言联系工作人员获取代码 aWS_z6[t#6  
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(ay((|)  
[ikW3 '99,  
}j`#s  
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。 6N< snBmd  
W @ ?*~  
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。 'f_[(o+n  
   8*&|Q1`K:  
YA控制 _ci8!PP  
2H,n"-9+  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 /< -+*79G  
328gTP1  
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。 nq%GLUH   
s:zz8oN  
sD=iHO Am  
1c4@qQyo  
sI<PYi={-6  
b=PB"-  
YA+PYA控制 01w}8a(  
3]rd!Gp=*  
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。 | Kw}S/F  
)0XJOm  
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： fx=HKt  
}rA _4%  
|C`.m
|  
~0V,B1a  
v43FU3  
UPcx xtC  
(@i2a  
#`qP7E w  
YA+CAO控制 AGMrBd|J{  
v5A8"&Jr  
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。 } m&La4E  
>A.m`w  
@+&QNI06S  
?4sF:Y+\  
^kh@AgG^  
=bh.V@*  
"JpnmE[`  
m\eYm;RVj  
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。 QHPC?a6CD  
f9a_:]F   
BvqypLI  
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F.$NYr/|y  
V9/PkuT  
优化宏 ;%
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"yf#sEabV  
请评论区留言联系工作人员获取代码 q~6((pWi|  
-_T@kg[0zB  
基本参数 S*'  
bR}=bp4K  
:d}@Z}2sD  
)^]1j$N=3  
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： `kM:5f+>W  
j6#RV@ p`