| 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。 <uH8Fi vb
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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。 NO"PO
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无焦镜头的建模 E$e7(D
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 L smcj{ 1d
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[attachment=128644] [4Z 31v>
U@lc 1#
无焦镜头的像质分析 lfGyK4:
I5$P9UE+^9
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。 OZ,kz2SF#
o \AnM5
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。 7io["zW
Ac7^JXh%
[attachment=128645] g g;r;3u
R$awg S E
无焦 DSEARCH GXNf@&
J~Xv R
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。 ])x1MmRg\
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[attachment=128651] THA9OXP
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无焦的像差控制 Q=\
O a(I
mCtS_"W
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。 G7-BeA8
z`y9<+
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。 {Z.6\G&q
kmuksT\)a
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。 =lXj%V^8N
fn#8=TIDf
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。 [\uR3$j#
[}X|&` 'i
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： <_tmkLeZf
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 Hh<H~s [
r );R/)&
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 j jpY g
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PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 Rd?}<L
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PUB是主光线角度。 2 pS<;k`
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[attachment=128646] #%"q0"
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示例的DSEARCH宏 od ;-D~
K,f:X g!:
[attachment=128647] fSh5u/F!
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[attachment=128657] p: ,Y6[gMo
@0`A!5h?u
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_BG%+;G,
ffCDO\i({
搜索宏 =O/Bte.
请评论区留言联系工作人员获取代码 ~PQ.l\C
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[attachment=128655] J=V
l wnO
[attachment=128648] iP/v "g"g
BEZ~<E&0H
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。 ! \] ^c
WlL(NrVA@@
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。 R^Rc!G}
+qxPUfN
YA控制 ! + x Q
a|ft l&uk
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ` ]|X_!J-
pA7-B>Y
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。 H$6RDMU
-K"'F`;W
[attachment=128659] ^ 5 >e
5<?Ah+1
[attachment=128658] 4Z)4WGp!
3WV( Ok
YA+PYA控制 | %_C$s%
nx9PNl@?V
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。 :\T Mm>%q
,"qCz[aDN1
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： I?KN7(9u?
D?|D)"?qb
[attachment=128662] ~G@NWF?7
~z[`G#dU
[attachment=128661] OY*y< >
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[attachment=128653] H7O~So*N5
<,.$U\W
YA+CAO控制 tzI|vVT,
N#w5}It
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 G
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jKS j );
[attachment=128649] ^[ae
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[attachment=128663] u#05`i:Z
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[attachment=128650] ~$!,-r
[V}vd@*k
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。 T/$ gnn
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[attachment=128652] bC&A@.g{
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[attachment=128663] [i.@q}c~E
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优化宏 uJ`N' `Z
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请评论区留言联系工作人员获取代码 o Rfb4+H&
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基本参数 EPo)7<|>
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[attachment=128656] X)g
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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： @kX uC<
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[attachment=128654]
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