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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。 z%82Vt!a5  
'a ['lF  
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。 \CL8~  
$5R2QNg n  
无焦镜头的建模  ?Y(  
k{}> *pCU  
在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 513,k$7  
g4IF~\QRVi  
[attachment=128644] 8QrpNSj4  
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无焦镜头的像质分析 i+Z)`  
s,HbW%s  
有焦镜头评价成像质量,一般会在距离空间,比如用RMS光斑尺寸评价。 95l)s],  
wVBK Vb9N  
无焦的光线分析输出是在角度空间(即光线角度)中,而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时,像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 >t+U`6xK  
7n8nJTU{4j  
[attachment=128645] (%my:\>l  
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无焦 DSEARCH bdg6B7%Q  
`q^#u  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 u_(~zs.N]  
RY , <*  
[attachment=128651] i\i%Wi Rl  
J2bvHxb Rd  
无焦的像差控制 Eb8pM>'qM  
(2g a: }K  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示,可以用此控制像高或放大率。 A3jxjQ  
X0/slOT  
设置AFOCAL之后,DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度,就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 sg2;"E@  
^q:-ZgM>  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 i?x gV_q;  
Npp YUY  
对于AFOCAL系统来说,BACK量是最后两个(虚拟)表面到之前的表面距离,这就方便控制目镜的接目距,在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 xe@1H\7:  
ul~ux$a  
对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数: .ZTvOm'mB^  
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PYA为边缘光线高度,可控制像高。 o`bch? ]  
ARKM[]  
PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 PTQ#8(_,  
I'/3_AX  
PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 F2"fOS  
WyN ;lId  
PUB是主光线角度。  F B]Y~;(  
_D '(R  
[attachment=128646]   U0x A~5B  
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示例的DSEARCH宏 ]3KeAJ  
spEdq}  
[attachment=128647] -`O{iHfM|P  
dSM\:/t  
[attachment=128657] &V].,12x  
aJu&h2 G  
运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: broLC5hbQU  
z0z@LA4k6@  
搜索宏 x~5uc$  
请评论区留言联系工作人员获取代码 kSAVFzUS  
Fr9/TI  
[attachment=128655] 70'OS:J=\  
~ao:9 ynY  
[attachment=128648] ?uWUs )9  
1"h"(dA  
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。 k<gH*=uXY'  
b1&tk~D  
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。 $7x2TiAL  
   ;%tFi  
YA控制 YT\`R  
8Fn\ycX#"l  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ?nU<cxh  
BWt`l,nF  
改为用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0,再次运行搜索,近轴光阑和真实光阑都在最后一个表面。 VkQ@c;C  
c6h?b[]  
[attachment=128659] '&IGdB I  
DT-VxF6h  
[attachment=128658] 9*q wXU_aV  
`#""JTA"  
YA+PYA控制 u`bD`kfT>  
Uh }PB3WZ  
在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。 A5<t>6Y  
,9&cIUH  
通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示: X8C7d6ca  
Xw H>F7HPe  
[attachment=128662] &:&'70Ya  
.. `I <2  
[attachment=128661] O1c%XwMn^  
8$(I! ;  
[attachment=128653] gZ@+62  
'I[?R&j$G  
YA+CAO控制 #QNN;&L]R  
%:3XYO.w-  
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。 f{BF%;  
3j7FG%\  
[attachment=128649] (W1 $+X  
4Aj~mA  
[attachment=128663] c 1YDln  
fO<40!%9cQ  
[attachment=128650] J1w;m/oV  
#GzALF97  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 F8pA)!AH  
m:@y_:X0  
[attachment=128652] )+ .=z  
-Vn#Ab_C  
[attachment=128663] kR=sr/{  
rT2Njy1  
优化宏 @MSmg3 &  
p-4$)w~6i  
请评论区留言联系工作人员获取代码 K%q5:9m  
*X0>Ru[  
基本参数 QLqtE;;)JK  
L(y70T  
[attachment=128656] K[[~G1Z  
;;0'BdsL`  
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: pz%s_g'  
_ *f>UW*,  
[attachment=128654]
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