| 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。 .D) }MyKnu
kO.rgW82
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。 !y),| #7P
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无焦镜头的建模 +)Ty^;+[1
ka'M F;!rc
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 f`c z @
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[attachment=128644] OYKV*
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无焦镜头的像质分析 +Lyh F2
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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。 2P|-V} ;9
d.
a> (G
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。 RBb@@k[v
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[attachment=128645] 0I
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无焦 DSEARCH _ % P%~`?!
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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。 %cv%u6 b
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[attachment=128651] jPd<h{js
V *] !N
无焦的像差控制 M|Se| *w
] * Hz'
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。 6->b(B V
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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。 A(uN=r@O
WsoB! m
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。 [L275]4n!]
vxgm0ZOMN
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。 MhsG9q_%
6nwO:?1o9
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： ?=vwr,ir
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 u-W=~EO5#
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 h~1QmEat
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PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 p-}:7CXP
N+tS:$ V
PUB是主光线角度。 q8D1MEBL`
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[attachment=128646] qvscf_%FM
.3!4@l\9C
示例的DSEARCH宏 r~;N(CG
Z\ Q7#dl
[attachment=128647] &zT~3 >2
pr?/rXw
[attachment=128657] _PaO w%Y9
Ju\"l8[f
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 3l^pY18H '
w7C=R8^
搜索宏 v+OVZDf
请评论区留言联系工作人员获取代码 %(]rc%ry0
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[attachment=128655] vf m-K;,#
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[attachment=128648] qL#R
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Nt'5}
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。 }>w;
+XU
/<C=9?Ok
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。 =VU2# O
W1s|7
YA控制 g :EU\
oMPQkj;
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 "f3>20}
\5Jv;gc\\
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。 ]'G7(Y\)f
(07d0 <<[
[attachment=128659] twn@~$
VX%+!6+fS
[attachment=128658] (}:xs,Ax
QKO(8D 6+
YA+PYA控制 +M*a.ra0OF
X]!@xlwF\
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。 V*aTDU%-.
UO wNcY
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： *.RVH<W=8
K"1J 1>CHQ
[attachment=128662] /p>[$`Aq
@o ED tN
[attachment=128661] mm 8O
v<wT`hiKW
[attachment=128653] Oc.>$
&u8c!;y$b
YA+CAO控制 H[r0jREK
ry0 =N^
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 j66@E\dN
?KN_J
[attachment=128649] 0u_'(Z-^2
\K6J{;# L
[attachment=128663] 'UxA8i (
tpN}9N
[attachment=128650] 5 %Gf?LyO
[7V] =] p
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 brWt
E` |qFG<
[attachment=128652] u W T[6R
;j=1 oW
[attachment=128663] WQx; tX
W=?87PkJu
优化宏 F!{S eH:
,whNh
请评论区留言联系工作人员获取代码 *$VurqLn
e=jO_[
基本参数 k:Q<Uanc[
|xm|Q(PG
[attachment=128656] K }BX6dA
639k&" V
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： K dm5O@tq
/ 5Loj&!=
[attachment=128654]
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