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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。 Vch!&8xii  
,R;wk=k  
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。 JIyIQg'5i  
IEJp!P,E  
无焦镜头的建模 B$cx '_zF  
_Vxk4KjP5  
在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 ;R.l?Bg  
aj*%$!SU+  
[attachment=128644] B#;yko  
bAqaf#}e  
无焦镜头的像质分析 cYMlc wS  
XDi[Iyj  
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。 K# dV.  
h *-j  
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。 fr<, LC.  
^atBf![  
[attachment=128645] z!6:Dt6^  
RW. >;|m  
无焦 DSEARCH y~\K~qjd  
(j;6}@  
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。 E64d6z^7u  
~ -hH#5  
[attachment=128651] N2^B  
<e&*Tx<8  
无焦的像差控制 h^KLqPBt{  
[1*3 kt*h  
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。 p4OiCAW;  
) Pdl[+a  
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。 X6dv+&=?  
p KF>_\   
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。 /n SmGAO  
*rk!`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。 =pP0d vn  
Q0j$u[x6s  
对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数: Q+\?gU]  
p}'uCT ga  
PYA为边缘光线高度,可控制像高。 P]G`Y>#$r  
-a[] #v9  
PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 NN9` jP2  
058+_xX  
PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 HwH Wi  
/8SQmh$+e  
PUB是主光线角度。 Q7 Clr{&  
!be6}  
[attachment=128646]   hd2 X/"  
]' F{uDm[  
示例的DSEARCH宏 JL4\%  
+0Rr5^8u  
[attachment=128647] L@|W&N;%a  
&ns !\!  
[attachment=128657] < g<Lf[n$  
YpT x1c-  
运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: Tej-mr3P  
_ s]=g  
搜索宏 *8uSy/l  
请评论区留言联系工作人员获取代码 XACbDKyS  
xPY/J#X$  
[attachment=128655] bV#U&)|  
^ )Lh5   
[attachment=128648] K`nI$l7hg  
:A,V<Es}I"  
这里,STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 Fs_umy#  
_ G!lQ)1  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示,在近轴光线追迹的结果中,光阑确实是在最后一个表面,但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 /]Fs3uf  
   AT:T%a:G?  
YA控制 DGx9 \8^  
n7"e 79  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 q9RCXo>Y+1  
->oQ,ezB  
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 yWACI aj  
B8^tIq  
[attachment=128659] W%f:+s}cI  
p1Q[c0NMK  
[attachment=128658] iAX\F`  
U n#7@8,  
YA+PYA控制 6rEt!v #K[  
pCz;km  
在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。 0KyujU?sF  
z^Nnt  
通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示: <_ 02)6j  
2sjP":  
[attachment=128662] /LM*nN$%  
~y}M GUEC  
[attachment=128661] "-y\F}TE  
&+-ZXN  
[attachment=128653] FDaHsiI:  
%Yg;s'F>#q  
YA+CAO控制 }(AUe5aw`G  
jK#y7E  
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。 sB_o HUMH6  
:<=!v5 SK  
[attachment=128649] mD:d,,~  
$V~r*#$.  
[attachment=128663] rm>;B *;  
Eo\# *Cv*  
[attachment=128650] J"8bRp=/|  
D>,]EE-  
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。 ^>uzMR!q5  
=YBwO. !%  
[attachment=128652] $=$I^hV  
* eL%[B  
[attachment=128663] bCk_ZA  
C8cB Lsa[J  
优化宏 rd\mFz-SB  
_> .TB\  
请评论区留言联系工作人员获取代码 t'4hWNR'  
a J[VX)"J  
基本参数 yw5MlZ4P=  
={b/s31H:  
[attachment=128656] N{`-&8q;K  
+&tY&dQQB  
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: /`0*!sN*5  
P"_x/C(]@J  
[attachment=128654]
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