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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。 *iyc,f^w  
V@EyU/VJ  
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。 \JCpwNT{P  
*Uf>Xr&  
无焦镜头的建模 & IsPqO  
gO@LJ  
在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 Id>I.e4  
xK5~9StP  
[attachment=128644] 9T1 - {s R  
)wdd"*hv  
无焦镜头的像质分析 wS >S\,LV  
r]aI=w<(f  
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。 0bSnD|#I  
v_pFI8Cz)  
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。 NQcg}y  
FJ{&R Ld  
[attachment=128645] f|3LeOyz  
Mp[2Auf  
无焦 DSEARCH LW9F%?e!>  
o!c~"  
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。 Pmd5P:n*,  
>McEuoZx9  
[attachment=128651] lg{/5gQG  
zH#urF6<  
无焦的像差控制 3BF3$_u)o  
''q#zEf6  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。 OsRizcgdA  
h}DKFrHW;-  
设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 Q]$pg5O  
<,U$Y>  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 T {=&>pNK[  
O.8k [Ht  
对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 VtGZB3  
p9S>H  
对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数: IABF_GwF  
WYkh'sv >  
PYA为边缘光线高度,可控制像高。 CW.T`F  
[h8macx  
PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 JBLh4c3  
+c__U Qx  
PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 (CJx Y(1K  
C\^,+)Y\~  
PUB是主光线角度。 IlB*JJnl  
X!@ Y ,  
[attachment=128646]   7" )~JBH  
\: B))y?}d  
示例的DSEARCH宏 |=V~CQ]  
<\P `<  
[attachment=128647] )l`VE_(|  
D#^euNiWd  
[attachment=128657] ~mv5{C  
Nx E=^ v  
运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: "98 j-L=F+  
. lNf.x#u  
搜索宏 uH[:R vC0  
请评论区留言联系工作人员获取代码 6)>otB8)J  
Tk `|{Ph0  
[attachment=128655] ViG>gMGv  
Wv ~&Qh}  
[attachment=128648] 8NTE`l=>/  
8xkLfN|N=  
这里,STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 ,lFp4 C  
S6fbwZZMG  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示,在近轴光线追迹的结果中,光阑确实是在最后一个表面,但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 Ka<J* k3  
   O{Z${TC[  
YA控制 SDVnyT  
0s RcA-9  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 'rA(+-.M;  
xJA{Hws  
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。 1xSG(!  
h 9}x6t,  
[attachment=128659] w"? RbA  
<;Tr   
[attachment=128658] [ugr<[6  
G^eXJusOv  
YA+PYA控制 F07X9s44E  
}]JHY P\  
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。 pbw{EzM  
+d(|Jid  
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: +oL@pp0  
%E"Z &_3{  
[attachment=128662] {w7/M]m-  
%joL}f[  
[attachment=128661] xErb11  
9PMIF9"   
[attachment=128653] 2<n@%'OQp  
8;# yXlf  
YA+CAO控制 1I)oT-~  
E>`|?DE@  
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。 ?GW}:'z  
m(0X_& &?z  
[attachment=128649] !e*T. 1Kz  
Rz[3cN)?q  
[attachment=128663] vo%"(!  
4IvT}Us#+  
[attachment=128650] "fW }6pS  
HxcL3Bh$~}  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 &~2I Fp  
\PcnD$L  
[attachment=128652] 1aCpeD4|)  
g4952u  
[attachment=128663] V Ew| N)  
W|y;Kxy  
优化宏 e[0"x. gu  
XUD Ztxa  
请评论区留言联系工作人员获取代码 OHrzN ']  
yc`*zLWh  
基本参数 KSHq0A6/q%  
)a x>*  
[attachment=128656] JbQY{z!  
1:>F{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: "?<h,Hvi  
E+#<WK-  
[attachment=128654]
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