| 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。 gl`J(
`Rfe*oAf
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。 <_t]?XHB[
1;c># 20
无焦镜头的建模 c CDT27 @
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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。 &xB9;v3
W?aP%D"(i
[attachment=128644] 4.wrY6+V
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无焦镜头的像质分析 9'sZi}rT
XI[n!) 3
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。 ReM]I<WuY
K n1; =k
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。 uQn1kI[y
({C[RsY=6
[attachment=128645] f1'X<VA
G;vj3#u?
无焦 DSEARCH O/Hj-u6&A
PPySOkmS3
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。 /%,aX [
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[attachment=128651] z a_0-G%C2
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无焦的像差控制 ^{=UKf{
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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。 :NWIUN
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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。 x`C"Z7t
AhA&=l
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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。 6la'\l#
N;-%:nC
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。 MbInXv$q2/
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： Cc{{9Ud
O wu?ND
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 1twpOZ>
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 S} ,Cz
g)$KN,gGuO
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 O#[b NLV
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PUB是主光线角度。 L?|}!
n^|xp;] :
[attachment=128646] (gVN<Es
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示例的DSEARCH宏 OS<GAA0
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[attachment=128647] vuY X0&
m(9I+`
[attachment=128657] ^;s/4
0n2H7}Uq
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： z d$?2y8
1Vz^?t:
搜索宏 L'KKU4zj
请评论区留言联系工作人员获取代码 mP6}$ D
C_q 2bI
[attachment=128655] 9a]o?>`E
V;CRs\aYf
[attachment=128648] {4/*2IRN9h
GKF! GbGR@
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。 k1yqe rA
#m<uG5l`
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。 ,3 8M6yD
?Q"<AL>Z
YA控制 I Ij:3HP
80g}<Lwc
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 > vXJ9\
"0 %f R"
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。 }dMX1e1h8
z (.,BB[
[attachment=128659] : 4-pnn
MxX)&327
[attachment=128658] N>a~k}pPH
ju;OQC~[L]
YA+PYA控制 OIw[sum2
F,VWi$Po\N
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 VE*`J i
gn.)_
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： ZRw^<
+
WEG!;XZ
[attachment=128662] Uy|!f]"?
Y$Rte .?
[attachment=128661] ^jS1g*nrN
H l(W'>*oL
[attachment=128653] 0<4'pO.6Hq
0(u}z
YA+CAO控制 <Pe'&u
6?.S-.Mr
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 a&qp
1TfFWlf[B
[attachment=128649] ~~"U[G1
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[attachment=128663] jJvd!,=)
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[attachment=128650] /GJL&R Mx
uuh._H} -
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。 _^RN$4.R>
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[attachment=128652] NgsEEPu?
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[attachment=128663] /?Y4C)G
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优化宏 OaoHN& "
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请评论区留言联系工作人员获取代码 S_??G:i
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基本参数 qyy . &+
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[attachment=128656] ;F%EW`7
xi ,fm
无焦的变焦镜头也可以用ZSEARCH功能进行初始结构搜索，不同于有焦镜头用理想像高作为前后变焦位置的目标，而是和DSEARCH一样用PYA和PUB确定最前和最后变焦位置的像方参数，由此确定变焦的搜索目标： bYhG`1,$-a
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[attachment=128654]
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