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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。 r_8;aPL  
;x FB /,  
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。 ^;{uop"DS  
r0OP !u  
无焦镜头的建模 TQ~a5q  
0e:j=kd)NH  
在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 0<<ATw$aQ  
@I&k|\  
[attachment=128644] M) JozD%  
{QN 5QGvK  
无焦镜头的像质分析 %LqT>HXJ  
sA+K?_  
有焦镜头评价成像质量,一般会在距离空间,比如用RMS光斑尺寸评价。 %ol1WG9  
6xr%xk2E  
无焦的光线分析输出是在角度空间(即光线角度)中,而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时,像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 @eESKg(,  
2h@&yW2j  
[attachment=128645] F U L'=Xo  
I4 <_y5  
无焦 DSEARCH B<.ZW}#v  
fG8^|:  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头,会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 |g !$TUS.  
<jaQ 0S{|  
[attachment=128651] s`yg?CR`,  
O"X7 DgbC  
无焦的像差控制 pFBK'NE  
m}beT~FT_  
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。 4kK_S.&  
yr.sfPnJK  
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%9,.g <  
Y!y pG-  
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。 }:s.m8LC5n  
s|[qq7  
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。 ^FTS'/Q  
VTX6_&Hc1g  
对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数: `4Fw,:+e  
kf95)iLo  
PYA为边缘光线高度,可控制像高。 IO2@^jup  
Da)_OJYE  
PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。 & \C1QkI  
8RVRfy,w  
PYB是主光线的高度,可以控制光阑。 <a+ @4d;  
4)XB3$<  
PUB是主光线角度。 (*T$:/zI S  
j(>xP*il  
[attachment=128646]   d\c)cgh%  
u3Zu ~C  
示例的DSEARCH宏 CFoR!r:X  
G2sj<F=AV  
[attachment=128647] `Hu2a]e9  
nYBa+>3BDf  
[attachment=128657] fMM%,/b{  
PH^Gjm  
运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构: e)XnS'  
XBcbLF  
搜索宏 ;R@D  
请评论区留言联系工作人员获取代码 {([`[7B>a<  
Uaj_,qb(  
[attachment=128655] h$6~3^g:P  
aej'cbO  
[attachment=128648] r'o378]=  
]8'PLsS9<w  
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。 j^hLn >  
rrphOG  
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。 m GJRCK_  
   `z7,HJ.0c  
YA控制 i;juwc^n}  
:" @-Bcln  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 #veV {,g  
.2ZFJ.Z"  
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。 $Fy >N>,E(  
i;29*"  
[attachment=128659] ekmWYQ ~  
!?|xeQ}  
[attachment=128658] @Q;s[Kg{!  
m4'jTC$  
YA+PYA控制 qmvQd8|XR  
>Ml5QO$*.q  
在这个宏中,我们添加了指令M 3 10 A PYA 11,用PYA(近轴边缘光线高度)来控制光阑(表面11)的大小为3。 d..JW{  
Y zmMF  
通过运行CAP命令,我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6,大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度(红色的光线),但是通光孔径是由主光线(蓝色和绿色的光线)的真实光线高度决定的,如下图所示: jCIY(/  
}-u%6KZ   
[attachment=128662] =4V SbOlZ  
aEVy20wd  
[attachment=128661] +m/n~-6q  
roBb8M|q  
[attachment=128653] Io&HzQW^a  
R-wz+j#  
YA+CAO控制 6}|h  
T4[/_;1g  
在这个宏中,我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到,现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令,光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而,在这个系统中,BACK(从最后一个镜头表面(表面10)到STOP表面(表面11)的距离)要比之前的小。为了保持理想的BACK目标,我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重,或者在搜索后的优化中尝试优化它。 S.<4t*,  
4:/^.:  
[attachment=128649] H/={RuU  
:)&vf<JL  
[attachment=128663] g=,}j]tl  
9b@yDq3hQ  
[attachment=128650] RAuVRm=E  
|>.</68Z  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心,在不同视场的入射主光线是相互平行的。 <$WS~tTz  
Ed2A\S6tl  
[attachment=128652] h ^s8LE3  
m - hZ5 i  
[attachment=128663] & Y2xO  
}Gy M<!:  
优化宏 j['B9vG  
k,f/9e+#  
请评论区留言联系工作人员获取代码 gFT lP  
1X9s\JKQ  
基本参数 "^;h'  
^Xu4N"@  
[attachment=128656] LhM$!o?W  
Nd{U|k3pL  
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:  X>P|-n#  
AYpvGl'  
[attachment=128654]
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