| 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。 ,MHF
Ze[\y(K!
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。 5C*- v,hF
~52'iI)Mw
无焦镜头的建模 Fy.!amXu
puEu)m^
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 s(L!]d.S$y
^hT2 ed +
[attachment=128644] [+}0K{( O=
iP$>/ [I
无焦镜头的像质分析 Uz]=`F8
/~+Fzz
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。 RgM=g8}M
^ ~Tn[w W_
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。 jrttW T
< 5ULu(b&$
[attachment=128645] _Vc4F_
-h8Z@r~a/
无焦 DSEARCH ZHoYnp-~z
Uhyf
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。 yRQNmR;Uy
>f|0# *
[attachment=128651] Hbu
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2G3 Hi;q18
无焦的像差控制 1$m{)Io2(
v9t'CMU
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 0+w(cf~6
eV;nTj
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 r.=.,R
- | =)
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 ##1/{9ywy
n+v v
%
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 `P*w ZKlW
te jpY
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： t [G7&ovj
RYl\Q,#
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 AF{@lDa1h
z>
N73 u
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 '#QZhz(+
`s d
H
q
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 4>N ig.#
TA#pA(k
PUB是主光线角度。 zMO xJ
FL0yRF5
[attachment=128646] . _.Q f<7
"
#U-*Z7
示例的DSEARCH宏 D> -Pv-f/
|F q\%y#
[attachment=128647] X|R"8cJ
dXU6TCjU7
[attachment=128657] 1gLET.I:
rD c$#
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： lg^Lk\Y+re
%GM CyT
搜索宏 z`]:\j'O3"
请评论区留言联系工作人员获取代码 v.g Ai6
/6 y; fx
[attachment=128655] D8$4P T0u
DKl\N~{F
[attachment=128648] [Qqss8 a
]XYD2fR2qA
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 8>X] wA6q
aHNn!9#1
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 G^/8^ Zi
JbXi|OS/
YA控制 zIU6bMMT3u
Go[anf
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ~P*{%= a
-"bC[ WN
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0，再次运行搜索，近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 : G5O_T$
_0Y?(}
[attachment=128659] wV4M P1c$
5/HkhT yj
[attachment=128658] n KjT&R
j`MK\*qmz
YA+PYA控制 YH{n
Sa:;j4
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。 #smfOGSd
U. N& ~S
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： Z07n>|W F-
`?"r\Qo<
[attachment=128662] =n8M'
: T qeVf
[attachment=128661] c/Li, 9cT'
(/!zHq
[attachment=128653] ~/2 OK!M
q 'uGB fE.
YA+CAO控制 (Hs,Tj
a!;#u 8f
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。 i\o * =+{r
`9|Uu#x
[attachment=128649] ]?Q<lMG
K4OiKYq
[attachment=128663] r<Q0zKW!jN
Qzv&
[attachment=128650] 7{NH;U t
+IlQZwm~
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。 *\`<=,H6<
h)z2#qfc
[attachment=128652] ,!P} Y[|
D@c@Dt
[attachment=128663] STPRC&7;
2M+ *VO
优化宏 5>~D3?IAd
bE3mOml
请评论区留言联系工作人员获取代码 +HG*T[%/
}|Bs|$q
基本参数 bP4}a!t+n
2{B
ScI 5K
[attachment=128656] vXG?8Q
v 8C4BuwA
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： ej \S c7.
;f}
']2
[attachment=128654]
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