| 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。 ea;c\84_N
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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。 Rn ^N+3o'M
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无焦镜头的建模 ; ."{0gq
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 ' `VO@a
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[attachment=128644] ov.rHVeI
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无焦镜头的像质分析 ]V7hl#VO
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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。 8k}CR)3@C
^rb7`s#G
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。 6E% k{ r
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[attachment=128645] RR {9
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无焦 DSEARCH xo3)ds X
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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。 i;
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3]82gZG G
[attachment=128651] q:eAL'OkM
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无焦的像差控制 fA,!d J
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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。 eh=bClk
N^j''siB
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。 )CU(~s|s
{_D'\i(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。 Cf 8 - %
$9b6,Y_-
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。
#rC+13
k.hSN8
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： ZACn_gd[5
z>q_]U0
PYA为边缘光线高度，可控制像高。
Hh/#pGf2
7}?z=LHb3
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Fsdn2{g8U
hkm3\wg
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 z(a:fL{/XG
7E] l=Z`x
PUB是主光线角度。 sVf7g?
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[attachment=128646] ~~
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示例的DSEARCH宏 "@Fxfd+Ot
[C#pMLp,~
[attachment=128647] }gt~{9?c
AY]nc# zz
[attachment=128657] Gj0NN:
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运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： r#}%sof
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搜索宏 g==^ioS}*
请评论区留言联系工作人员获取代码 1A
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[attachment=128655] :@L5=2Z+
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[attachment=128648] l\GNd6)H
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这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 Sn,z$-;h;
R[" 7%|RV
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。 {,X(fJ
#v<+G=r*O
YA控制 wm4e:&
C\[UAxZ3X
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 "+60B0>sc
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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。 $<#sCrNX
W_EN4p~J
[attachment=128659] .:/@<V+K
bf+2c6_BN0
[attachment=128658] <k1gc,*
AJ}Q,E
YA+PYA控制 }mK_d9d x
.?TVBbc%5
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 ~+hG}7(:
.BvV[`P
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： S7*:eo
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[attachment=128662] r+crE %-
"M]]H^ r5
[attachment=128661] >XN&Q VE
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[attachment=128653] & iivSc;#
O!jCQ{ T
YA+CAO控制 Nt?B(.G
o^_am>h
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 (A_9;uL^_
k,J?L-F
[attachment=128649] +X%yF{^m(
D]REZuHOI
[attachment=128663] c2QC`h(Wb
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[attachment=128650] (nm&\b~j
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使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 K AGq\7
M*Xzr .6
[attachment=128652] z!tHn#
;S/fe(C
[attachment=128663] D
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优化宏 Sk xaS J"
y)2]:nD`B
请评论区留言联系工作人员获取代码 n$>H } #q
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基本参数 H4U;~)i
dJk.J9Z
[attachment=128656] *KNR",.
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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： 0X;Dr-3<
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[attachment=128654]
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