| 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。 |BC/ERm s
=u.jZ*u]WT
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。 lO>9Q]S<
zIeJ[J@
无焦镜头的建模 nc.(bb),
p /x ]
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 RXbhuI
I_k!'zR[N
[attachment=128644] Vp.&X 8
y-/,,,r
无焦镜头的像质分析 \%!
t2=J!
QR#L1+Hn
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。 gI /#7Cr
jk\04k
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。 gjGKdTr'
O2n[`9*
[attachment=128645] z^etH/]Sy
Z.iQm{bI
无焦 DSEARCH ?e. Ge0&
AB1.l
hR
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。 @N% /v*
FB\lUO)U\c
[attachment=128651] K4[X P]\jr
I/HcIBJ
无焦的像差控制 ylo /]pVs
XP |qY1
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。 UgBD| ~zu
f0h^ULd
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。 bFv,.(h'
H ({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。 O9_S"\8]@
3SMb#ce*o
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。 0) ^$9 Z
{$ (X,E
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： %_ >+K;<
Z{".(?+}1
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 e +? -#
p T ;{05
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 l[cBDNlrC;
2GB+st,
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 c@ea
;Cv
v6$ }saTX
PUB是主光线角度。 P\3$Y-id
jb5nL`(j$
[attachment=128646] [/Figr]
33*NgQ;&~'
示例的DSEARCH宏 F \H^=P
ER)<Twj
[attachment=128647] l|Z<pD
r{Stsha(
[attachment=128657] u]Eyb),Gy
i]L4kh5
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： +I9+L6>UR
UyWKE<
搜索宏 sA}X h a
请评论区留言联系工作人员获取代码 ^UJ#YRzi
JOA_2qa>\
[attachment=128655] fK'qc L
3H'+7[~qH
[attachment=128648] ndY1j5
, id`=L=
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。 Y >N `(
DKzP)!B "
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。 <r1N6(n
^9ZW }AAO
YA控制 pH'1be{K
=)p/p6
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 POouO/r$
ju@5 D
h
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。 qUMM}ls
eL7rX"!
[attachment=128659] FQ72VY
|RdiM&C7
[attachment=128658] qZ8 V/
=u+.o<
YA+PYA控制 QvF UFawN
7T)J{:+0!|
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。 A)X 'We
o3mxtE]
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： ,iUYsY
S(5aJ[7Zm
[attachment=128662] -XSu;'4q
@$ea-fK??
[attachment=128661] :<`hsKy&
ke(Lj RS
[attachment=128653] SLiQHWw*J
B_B~Y8=3`
YA+CAO控制 I2b\[d
8+b ?/Rn0
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。 <^Hh5kfS'
D-zqu~f`
[attachment=128649] ) $wX~k
(:p&[HNuN
[attachment=128663] t-vH \ m
aXSTA ,%
[attachment=128650] b ~Qd9 Nf
qX(sx2TK
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 D/jS4'$vA
9tnW: Nw~
[attachment=128652] }
r#by%P
D [ #1~M
[attachment=128663] )32BM+f"77
#nL&x3
优化宏 Z'%k`F
Dl3Df u8
请评论区留言联系工作人员获取代码 ! /w<F{cl
(wNL,<%~
基本参数 Um
k9
1or4s{bmo
[attachment=128656] _fH.#C
+G3&{#D
?
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： ,qgph^C
io]e] m%
[attachment=128654]
|
|