[原创]无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课 [复制链接]

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。 CUN1.i<pk8  
QnA~,z/.w  
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。 "U-dw%b}b  
4D}hYk$eP0  
无焦镜头的建模 \2^o,1r/  
4Ql9VM%y  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 k2O3{xIjc  
ka_(8  

图片:1.png

4nrn Npf`b  
>r3SF3XMq  
无焦镜头的像质分析 !(HPx@_  
a
*&(cn  
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。 
hXh nJ  
}/lyrj
V  
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。 /
Nkxb&  
FP'-=zgc  

图片:2.png

1,(WS F  
+BVY9U?\"  
无焦 DSEARCH \ZA@r|=$  
<aLS4  
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。 )Dp0swJ  
q BIekQT  

图片:3.png

k1.%ZZMM  
D94bq_2}  
无焦的像差控制 Wu"1M^a  
?rjB9AC_;t  
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。
f92z/5%V  
G c\^Kg^#  
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。 UiVGOQ
q  
Z5p [*LMO  
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。 zW\s{  
!6l*Jc3  
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。 `^] D;RfE  
S
@'%dN6e  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： !B92W  
i),bAU!+m  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 tY>Zy1hlI  
$ x:N/mMu`  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 zu.B>INe  
e=nvm'[h  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 51u\am'T  
+4  h!;i  
PUB是主光线角度。 t.dr<   
C5~n^I|  

图片:4.png

   !Sw=ns7  
M!kSt1  
示例的DSEARCH宏 P@keg*5@  
Z+u.LXc|c  

图片:5.png

m8;w7S7,j~  
$_iE^zZaU^  

图片:6.png

*`rfD*  
,/%'""`w  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： 3@qv[yOE  
gXlcB~!  
搜索宏 0-[naGz  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ? 3OfiGX?  
EK5$z>k>m  

图片:7.png

Gx8
!AmeX  
_-lE$
O  

图片:8.png

P6O\\,B1A  
,l6,k<   
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。 Av?R6  
i%JJ+9N  
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。 2Kf/Id1  
   [@ev%x,  
YA控制 P1Z"}Qw  
p
20JUzy  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 ?
].MnwYo  
:dh; @kp  
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。 lOp.
cU  
I8YUq  

图片:9.png

mEbI\!}H0  
I`_I^C3  

图片:10.png

:09NZ !!  
9OV@z6
  
YA+PYA控制 |$b8(g$s)  
.wD $Bsm`t  
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。 $3PDe  
 =aZ d>{Y  
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： O7Jux-E1C  
|~e"i<G#  

图片:11.png

)\#*~73  
pX{wEc6}  

图片:12.png

mLqqo2u  
v>#Njgo  

图片:13.png

zXx/\B$&d*  

XZ~kXE;B(  
YA+CAO控制 X'jyR:ut#  
gns}%\,  
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。 9gcW;  
&U7v=a  

图片:15.png

tkT,M,]?9  
y\Aa;pL)RQ  

图片:18.png

$C;i}q#  
)0-A;X2  

图片:16.png

eO <N/?t  
m2\\!C]f  
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。 7h}gIm7e"  
AQUAQZc  

图片:17.png

LDc EjFK(  
K2
zln_W  

图片:18.png

#\w N2`" W  
@
W>@6E  
优化宏 c$!?4z_.  
q4[}b-fF  
请评论区留言联系工作人员获取代码 Kf:!tRE  
EL$DvJ~  
基本参数 b
E/|&8  
5_aj]"x  

图片:19.png

C P}fxDW  
'vd&r@N  
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： qU!dg  
|CDM(g
>%  

图片:20.png