| 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。 Y
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S:Q! "U
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。 ZM#=`k9
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无焦镜头的建模 shC; hR&;
L m*VN~2
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 0 >Z ;Ni
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[attachment=128644] u^W2UE\
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无焦镜头的像质分析 V\~Wv V
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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。 4E P<tV
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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。 a~LC+8|JW
; ;s* Ohh
[attachment=128645] hjx) D
Yepe=s+9
无焦 DSEARCH :c[n\)U[aa
V,v[y\
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。 K r`]_m
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[attachment=128651] nxm$}!Df
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无焦的像差控制 #%3rTU
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 cp
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设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 &sVvWNO#2
_A_ A$N~9
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。 =TvzS%U
8t"~Om5sG
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。 6qvp*35Cx
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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： )o _j]K+xI
hm bj*8
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 6 "j_iB
uv{ P,]lK
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 pj|pcv ^
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PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 5__+_hO
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PUB是主光线角度。 XhU @W}}
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[attachment=128646] [(LV
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示例的DSEARCH宏 ;a"q'5+Ne
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[attachment=128647] e= P
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[attachment=128657] lw%?z/HDf
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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： gA#RM5x@
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搜索宏 n
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请评论区留言联系工作人员获取代码 u }hF8eD
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[attachment=128655] lB8 i l2&
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[attachment=128648] z ~6y+
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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。 6+rlXmd
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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。 BI[JATZG
$V>98M>j
YA控制 Y>."3*^
t5k!W7C
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 Cm$1$?J
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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。 2],_^XBvB
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[attachment=128659] oz'\q0
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[attachment=128658] @xsP 5je]
stl 1Q O(h
YA+PYA控制 q}uHFp/J
V+-$ jOh
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。 ylf[/='0K
z7.|fE)<6
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： .N4
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[attachment=128662] d<w~jP\
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[attachment=128661] \hO2p 6
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[attachment=128653] Mkp/0|Q*
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YA+CAO控制 /z7VNk D
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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。 a~h:qpg c
B(k=oXDF
[attachment=128649] ?q`0ZuAg\<
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[attachment=128663] js^ ,(CS
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[attachment=128650] e/_C
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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。 PW(\4Q\
{n3EGSP#
[attachment=128652] seFGJfN\?f
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[attachment=128663] p Y)5bSA
u*S=[dq
优化宏 .%BT,$1K
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请评论区留言联系工作人员获取代码 !2\ r LN
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基本参数 p=GWq(S6
l} ^3fQXI
[attachment=128656] WS-dS6Q}
'k;4 j|<
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： A,-6|&F
5 hj
[attachment=128654]
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