| 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。 9J*\T(W
0r] t `{H
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。 N/'b$m5=
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无焦镜头的建模 [0[i5'K:
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 b8VTo lJ
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[attachment=128644] o&zJ=k [4
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无焦镜头的像质分析 % 2/EaaR
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有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 9:[ 9v
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无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 qQ/^@3tXL
n;Q7X>-f8`
[attachment=128645] / cdC'g
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无焦 DSEARCH V)-+Fd,=
7P5) Z-K[
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 Z1f8/?`W
K.nHii
[attachment=128651] gNrjo=
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无焦的像差控制 GPv1fearl
T|op$ s|
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。 x8\?}UnB
DE8n+Rm
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。 YQ)kRhFA
-1_)LO&H
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。 7~% ?#
f=Gg9bnm3
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。 xY8$I6
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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： w"|L:8
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 "1* :JVG
r~8 $1"
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ?V.cOR`6
$am$ EU?s
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 ^Za-`8#`L
E h vX)s
PUB是主光线角度。 mzKiO_g}
{.|CdqwY
[attachment=128646] ~.nmI& 3
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示例的DSEARCH宏
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RF c v^Xf
[attachment=128647] -p-ZzgQ
R nE 4<Cy
[attachment=128657] F 4z{LhZ
F 6|]4H.3Q
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： SmH=e@y~Lx
fu ,}1Mq#
搜索宏
(@VMH !3
请评论区留言联系工作人员获取代码 +Q)XH>jh
,HV(l+k {|
[attachment=128655] 2(+2+ }
'ya{9EdlT
[attachment=128648] xn(kKB .
@ioJ] $o7
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 S Lj!v&'
g2ixx+`?|:
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 hH 3RP{'=
]7BvvQ
YA控制 9T9!kb
Vwf$JdK%&l
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11
A,<E\
7U"g3 a)=
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。 O+]ZyHnB
#A/
[attachment=128659] >\#*P'y` d
-f^tE, -
[attachment=128658] q~o<*W
$( kF#
YA+PYA控制 ,^< R{{{-A
P |E| $)m
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 O
_ gGf
ZvX*t)VjTz
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： s^9Voi.y
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[attachment=128662] exUFS5d
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[attachment=128661] ,/2V t/lt
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[attachment=128653]
ltSU fI
Hzz %3}E
YA+CAO控制 lfgq =8 d
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在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 lrE 5^;/s1
l|[N42+
[attachment=128649] Of#u
{dlXLx!B
[attachment=128663] f'RX6$}\1X
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[attachment=128650] h,N?Ab'S
_;y9$"A
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 VCkq"f7c w
Q3~H{)[Kq
[attachment=128652] i&fuSk EP
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[attachment=128663] \V63qg[
T?0eVvM
优化宏 "HIRT E;&
%wy .TN
请评论区留言联系工作人员获取代码 T'9'G
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基本参数 h i( ;;C9
1CZgb
[attachment=128656] "&u@d~`-n
8TKnL\aar
无焦的变焦镜头也可以用ZSEARCH功能进行初始结构搜索，不同于有焦镜头用理想像高作为前后变焦位置的目标，而是和DSEARCH一样用PYA和PUB确定最前和最后变焦位置的像方参数，由此确定变焦的搜索目标： >+1duAC
uGG t\.$]s
[attachment=128654]
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