| 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。 Rg~ ~[6G>
&z;F'>"
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。 oZ;u>MeZ
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无焦镜头的建模 Z{nJ\`
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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。 ;,GE!9HW
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[attachment=128644] ]5b%r;_
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无焦镜头的像质分析 1L.H "
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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。 GGHe{l
l%]S7|PKx
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。 g,/gApa
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[attachment=128645] m'H%O-h\
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无焦 DSEARCH \A'MEd-
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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。 `ro~l_U;A
KM Z:$H
[attachment=128651] 7+';&2M)n~
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无焦的像差控制 dX|(n.}
L ;5uB2
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 `PK1z S r
7A@GN A
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 =w='qjh
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所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 q]+'{Ci@
z$OKn#%T
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。 9fR`un)f}
D4WvRxki
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： DEEQ /B{
"e<Z$"7i
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 mEsOYIu{
+$R4'{9q
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 6rlafISvO
?h)Z ;,}
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 I_ 66q7U"0
Zhb) n
PUB是主光线角度。 ` 0a=A#]1o
Ng=XH"ce~
[attachment=128646] R5=2EwrGP
WO{V,<;
示例的DSEARCH宏 E _d^&{j
YSi[s*.G
[attachment=128647] <R zGxhT
r}ZL{uWMW
[attachment=128657] --*Jv"/0
PScq-*^
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： F&? &8.
\]pRu"
搜索宏 =@w,D.5h
请评论区留言联系工作人员获取代码 KDD_WXGt~
(dZu&
[attachment=128655] R7YL I1ov
D{1k{/cF
[attachment=128648] D=*3Xd
rXR=fj= 2
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。 IK~'ke
VNKtJm 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。 yu8xT h$:
I75>$"$<
YA控制 HPM
ggRs
w7d(| `
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 (6##\}L& 9
Ak(_![Q:q\
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 x;d*?69f]
SymBb}5
[attachment=128659] MVe:[=VOT|
v5J%
p4
[attachment=128658] d&mSoPf
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YA+PYA控制 b [}f]pB@n
<\i}zoPO
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 W$_}lE $
p9c`rl_N
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： M=vR y|TL
?LE\pk
R
[attachment=128662] 1eiV[z$?
N>8p A )
[attachment=128661] ce3w0UeV
>,JLYz|</
[attachment=128653] '9O4$s1
U;%I"
p`Z/
YA+CAO控制 V5 $J
rl#[HbPM
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。 <G d?,} \
VK/@jrL+
[attachment=128649] $nX4!X
d1 &RK2
[attachment=128663] $:|z{p
jkz .qo-%
[attachment=128650] >cVEr+r9 t
AawK/tfs
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 mc{gcZIm
qI m?F>> @
[attachment=128652] 0UV5}/2rP
cY &SKV#
[attachment=128663] <Uz~V;
A\{dq:
优化宏 G8Hj< 3`
? |Q[QP
请评论区留言联系工作人员获取代码 }d<xbL!#
h( lkC[a&
基本参数 Ww (($e!
Jptzc:~B
[attachment=128656] SkGh@\
F_KPhe$
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： 014p = W
G=rgL'{
[attachment=128654]
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