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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。  ~NgA  
;C#F>SG\S  
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。 `7Q<'oK  
M^Yh|%M  
无焦镜头的建模 bP#:Oi0v`  
uc{Ihw  
在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 7"D", 1h  
^e5=hH-%  
[attachment=128644] QZwNw;$k*  
/N+dQe  
无焦镜头的像质分析 P5V}#;v  
o[4}h:> dq  
有焦镜头评价成像质量,一般会在距离空间,比如用RMS光斑尺寸评价。 #MkTkm&r  
#zy :a%  
无焦的光线分析输出是在角度空间(即光线角度)中,而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时,像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 ]mq|w  
g-k|>-h  
[attachment=128645] (x|T+c"bAX  
`hm-.@f,9  
无焦 DSEARCH rKc9b<Ir  
}K>d+6qk5  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 X`/k)N>l  
AN m d!  
[attachment=128651] i"FtcP^  
K3m/(jdO  
无焦的像差控制 iyE7V_O T  
B@))8.h]  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。 dQX6(J j  
uMv,zO5  
设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 8d{0rqwNE  
O\tb R=  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 T<>,lQs(a  
M0"_^?  
对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 zI uJ-8T"  
ttQGoUkj  
对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数: RBd7YWo\|j  
n&/ `  
PYA为边缘光线高度,可控制像高。 VGN5<?PrN  
Ee#q9Cx^J  
PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 .V<+v-h  
4"ZP 'I;  
PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 I 34>X`[o  
(mB&m@-N  
PUB是主光线角度。 MjRHA^b  
 /maJtX'  
[attachment=128646]   T763:v  
?$pCsBDo  
示例的DSEARCH宏 9=tIz  
~8+ Zs  
[attachment=128647] y.k~Y0  
4_lrg|X1  
[attachment=128657] wHLLu~m\  
TX/Xt7#R:  
运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: >:!5*E5?  
~ Iuf}D;  
搜索宏 T!{w~'=F  
请评论区留言联系工作人员获取代码 8,%^ M9zBP  
hfTY.  
[attachment=128655] Z{d^-  
~~P5k:  
[attachment=128648] kD%( _K5  
Y=KTeYW`  
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。 5tk AFb4P  
q2j{tP#  
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?',n 1  
   ?V=ZIGj  
YA控制 }X6m:#6  
#{6/ (X  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 U)gH}0n&  
b%`1cV  
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。 q;CiV  
B9 uoVcW  
[attachment=128659] 0d&6lqTo  
/SB;Von  
[attachment=128658]  (ZizuHC  
'H!Uh]!  
YA+PYA控制 m0SlOgRsk  
\\qZl)P_  
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。 X_h}J=33Q  
%> eiAB_b  
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: 8<.Oq4ku  
cq]6XK-W  
[attachment=128662] L2z[   
<'*LRd$1  
[attachment=128661] o.!Dq7 R  
w@E3ZL^  
[attachment=128653] eMsd37J  
HV|,}Wks6s  
YA+CAO控制 4HlQ&2O%#  
3 0H?KAV  
在这个宏中,我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到,现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令,光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而,在这个系统中,BACK(从最后一个镜头表面(表面10)到STOP表面(表面11)的距离)要比之前的小。为了保持理想的BACK目标,我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重,或者在搜索后的优化中尝试优化它。 )t#W{Gzfmh  
eauF ~md,  
[attachment=128649] 4[e X e$  
6_Y,eL]"  
[attachment=128663] ,O(hMI85]  
bG#>uE J-  
[attachment=128650] :I#V.  
:F?C)F  
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。 iBa A9  
/8S>;5hvK@  
[attachment=128652] y)@wjH{6  
GTd,n=  
[attachment=128663] rILYI;'o  
g- gV2$I  
优化宏 02^rV*re  
4r}51 N\  
请评论区留言联系工作人员获取代码 WsB?C&>x  
@ 6vIap|  
基本参数 XL ^GZ  
M= (u]%\  
[attachment=128656] 9'B `]/L  
h_'*XWd@  
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: 9.#<b |g  
x q h  
[attachment=128654]
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