| 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。 [p3{d\=*?
(VD Y]Q)
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。 B|pO2d e
:No`+X[Kq
无焦镜头的建模 `ppyCUX
/By:S/[1pL
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 >*s_) IH2
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[attachment=128644] jq%%|J.x
scX'>\w&c
无焦镜头的像质分析 yN[aBYJx,M
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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。 GT.1,E ,Vw
,]`|2 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。 -V g(aD
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[attachment=128645] +t*V7nW
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无焦 DSEARCH /2^"c+/'p
!LI6_Oq
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。 Vu.VH([b]Q
GDF/0-/Z
[attachment=128651] M[ {O%!
a +'k#m
无焦的像差控制 (#kKL??W
_%g L
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。 fGZ56eH:
5aj%<r
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。 b@ QCdi,u
Hlhd6be
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。 nQG l]2
.RNY}bbk
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。 PRJ
UQZl :DYa
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： R
[ZY;g:p
&F-
\t5X=i
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 FKZ'6KM&A
{W+IUvn
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 d1P|v(
`S9
r7)qr%n
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 QC,fyw\
R
+
~b@
PUB是主光线角度。 hrNB"W|?x
rp9?p%
[attachment=128646] OZc4 -5
JDJ"D\85
示例的DSEARCH宏 N0DzFXp
D @2L<!\
[attachment=128647] l~]D|92
1rx, qfCq
[attachment=128657] z$gtGrU
/4*Y#IpZ
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： M>E~eb/
@)\4 $#+-
搜索宏 NSa6\.W)
请评论区留言联系工作人员获取代码 5?MaKNm }
_ amP:h
[attachment=128655] ]A ;.}1'
O8 OAXRt/Y
[attachment=128648] ,,SV@y;
h ;@c%Vm
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 fat;5XL@
t"zi'9$t
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。 @9eN\b%I^H
zuu<;^/R
YA控制 b' ``0OB )
|1GOm=GNK
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 S Rtw
`Of D^Q=
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。 TjDtNE
%s497'
[attachment=128659] s+~GQcj<T
(\D E1q
[attachment=128658] gu6%$z
"fr{:'HX
YA+PYA控制 Nm
! ~h|3
&|j0GP&
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 ;yajt\a
`Xz!apA
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： 76bMy4re
#i . ,+Q
[attachment=128662] *Y?oAVkz
n$`+03 a
[attachment=128661] -#v1/L/=
`m#-J;la
[attachment=128653] _1Q6FI5iR
=&6sU{j*
YA+CAO控制 S)g:+P
41R6V>e@9J
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。 t7l{^d_L
Um}AV
[attachment=128649] OLPY<ax
7Q]c=i cg
[attachment=128663] 7nNNc[d*=
}tw+8YWkz
[attachment=128650] ^*i0~_
Q5ff&CE
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。 % YK xdp
.dMdb7
[attachment=128652] J^`5L7CO
hf]m'5pb
[attachment=128663] xu_,0 ZT]{
]/ k pEx
优化宏 y+T[="W
=w}JAEE|(i
请评论区留言联系工作人员获取代码 Pw| h `[h
ax>j3HKi
基本参数 ~5`oNa
^ZO! (
[attachment=128656] Gc"hU:m
X3a 9-
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： 9sT5l"?g
(5 @H
[attachment=128654]
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