| 小火龙果 |
2024-05-17 18:01 |
无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课
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。 ~ _R 8; b
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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。 k !- (Qfz
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无焦镜头的建模 w3oh8NRs_
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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。 qBL >C\V +
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[attachment=128644] $2 N)m:X0
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无焦镜头的像质分析 ";\na!MT
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有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 #_) <~
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无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 hJ[Z~PC\T0
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[attachment=128645] >;I$&
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无焦 DSEARCH @AM;58.
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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。 I6!~(ND7
(/6~*<ZGT
[attachment=128651] }U-h^x'
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无焦的像差控制 JRfG]u6GU
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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。 X.^S@3[
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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。 !>gi9z,
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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。 a B(_ZX'L
h+ixl#:
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。 DbDi n
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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： S3Q^K.e?
z u53m Z
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 3.[ fTrzJ
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Pv@P(y?\
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PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 |]s/NNU
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PUB是主光线角度。 C%#%_
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[attachment=128646] aNd6# yU$
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示例的DSEARCH宏 TV&:`kH
Ph{7S43
[attachment=128647] 2VB|a;Mo
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[attachment=128657] *2nQZ^c.
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运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： ,0j7qn@tm
_c[Bj ip
搜索宏 g" c |%3
请评论区留言联系工作人员获取代码 +MHsdeGU1W
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[attachment=128655] ,#
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[attachment=128648] j%_{tB
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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。 }K<% h
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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。 W Dr C
l:' 0
YA控制 h`{agW B
^a ,Oi%
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 abs\Ku9
yf
7Sz$Eq
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 45?aV@
6A$
Y]u
[attachment=128659] ?o0ro?9j
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[attachment=128658] ;_bZH%o.
U;PGBoe
YA+PYA控制 0ZRIi70u
1]DPy+
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。 9YMD[H\}V
CP5vo-/)-
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： #Qi r%\*V
O1C| {
M
[attachment=128662] jUtFDw
"#ctT-g`6
[attachment=128661] ~tw #Q
u*W6fg/"
[attachment=128653] pgp@Zw)r)k
j@ehcK9|
YA+CAO控制 ft aGu-d%
obRYU|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。 0`=>/Wr39
PN(P$6
[attachment=128649] k'(d$;Jgr
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Z!Up0
[attachment=128663] XA1gV>SJ
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[attachment=128650] [5"F=tT7WP
AlVB hR`
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。 >14 x.c
Z?@oe-mz
[attachment=128652] ktEdbALK
p-qt?A
[attachment=128663] 9/yE\p .
NKy Ksu
优化宏 /Wx({N'h$
;Z asK0
请评论区留言联系工作人员获取代码 )XFaVkQ}
[yyL2=7
基本参数 bF"1M#u:
_Hp[}sv4)
[attachment=128656] Y8s.Q
-wdd'G
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： NUQ?Q Q
}Dc7'GZ
[attachment=128654]
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