[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。 qYK4)JP  
(%bE~Q2P*<  
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。 s _~IZ%+<.  
IK'F{QPH  
无焦镜头的建模 kae2 73"  
_wz2  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 _%{0?|=  
r?pZ72q  
OqBC/p B  
)B;M  
无焦镜头的像质分析 P[FV2R~  
}%$OU =T  
有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 O=aw^|oj]  
it)ZP H  
无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 .#0H{m
k  
?eV_ACpZ8  
+%XnMl  
Wwhgo.Wx  
无焦 DSEARCH Q4?EZ_O  
n?:2.S.8  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 !MoOKW  
qBYg[K>  
mw4JQ\  
4z_n4=  
无焦的像差控制 IE;\7r+h  
#dxvz^2V.3  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 \lEkfcc  
 q>-R3HB  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 r+S;B[Vd  
9Kbw GmSU  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 w{`Acu  
< bFy(+  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 tuxRVV8l  
BSgTde|3y  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： vd (?$  
]JdJe6`Mc  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 X?/Lz;,&  
vk'rA{x  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 L^FcS\r;  
 ?Vc0)  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 ETfF5i}  
DnFjEP^  
PUB是主光线角度。 "|t!7hC  
GoIQ>n
 
   [b/o$zR  
*5D3vB*S  
示例的DSEARCH宏 f*m[|0qI<X  
_TUm$#@Y`  
A
nMV <  
0%<+J;'o  
c)~h<=)  
=6\LIbO  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： uel{`T[S  
:(,mL2[  
搜索宏 ? ?[g}>  
请评论区留言联系工作人员获取代码 1~\M!SQ)  
L:@fP~Erh  
pRi<cO  
4 1t
)(+r  
PeTA$Yl  
Qxa{UQh}9  
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 Sh&PNJ
-*  
->gZ)?Fqy  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 gU;&$  
   |=K_F3aJ  
YA控制 hXB|g[zT  
O0huqF$K  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 pe.QiMW{8  
I=IjdwbH  
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。 <9eu1^g  
QlEd6^&  
P^)q=A8Z#  
sKL:p3r  
A.En+-[\  
S6D^3n  
YA+PYA控制 `u XQ z7
 
:a0zT#u  
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。 z|N3G E(.@  
l]6%lud8_  
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： p2%
 
u:dx;*  
9 OT,TpA  
GP
a`e  
/*rht
rS)  
u2iXJmM*  
V/%~F6e  
~Z)/RT/  
YA+CAO控制 szmmu*F,U:  
5@!st  
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。 OW@\./nM  
w_wslN,)  
'LSz f/w  
Jxl6a:  
q(IQa@$SR  
rcN 9.1  
z(13~38+  
& E}mX]t  
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。 ZH 6\><My  
+.yT/y"  
vbG]mMJ  
)>a B  
$E!J:Y=
 
kHK0(bYK  
优化宏 G}nO@  
cr;`Tl~}s  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ^Q}eatEn  
4JyM7ePND}  
基本参数 s^8u&y)3  
R[B?C;+(O  
ipE]}0q  
[<c&|tfl  
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： +0l`5."d  
sW@krBxMv