[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。 }U9jsm  
u$#7W>R  
在激光光学中会用到无焦系统，例如扩束器、红外线及前视红外线系统、相机变焦镜头、像 teleside 转换器等望远镜头配件以及结合相机及望远镜的无焦摄影。 .a*$WGb  

+QX>:z  
无焦镜头的建模 \0h/~3  
919g5f`  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 l'QR2r7&.  
[JoTWouNU  
<Z'hZ  
>{a,]q*  
无焦镜头的像质分析 YHYB.H)  
n^N]iw{G  
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。 M>@R=f  
4Z}{hc\J  
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。 (, "E9.  
E,7~kd~y`  
jm\#($gl=  
@'@6vC  
无焦 DSEARCH 4&e@>  
{R;M`EU>  
SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 Z@!W?Ed  
u9w&q^0dqG  
v\,%)Z/  
2<Bv=B  
无焦的像差控制  2p>SB/  
Q/)ok$A&  
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。 on?/tHys  
'V#ew\  
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。 w9$8t9$|  
RWCS u$  
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。 RH]>>tJ^e  
Z4ioXl  
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。 !"%sp6Wc  
v`^J3A  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： mwH!:f  
1Uk~m  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 yB%)D0  
+wozjjc  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ROS"VV<  
7CM03R[P  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 3]n@c?lw  
AUsQj\Nm%  
PUB是主光线角度。 J+jmSK%z  
D1~x  
   $'YKB8C  
Xj~EVD  
示例的DSEARCH宏 ,,%:vK+V  
V9u\;5oL  
f&|A[i>g  
917 0bmr  
-MU.Hu  
6F.7Ws<  
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=qLm
 
&v5.;8u+OV  
搜索宏 "%''k~UD4  
请评论区留言联系工作人员获取代码 W^.-C  
e ]o'i;I  
|( 9#vt#  
E8_Le  
gT&'i(c  
HJaw\zbL  
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。 a`b zFu{  
)|y2Q  
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。 }?]yxa~  
   uO@3vY',n  
YA控制 IAF;mv}'  
rp @  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 o.3YM.B#  
S=H_9io  
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。 15
KV}){  
M*|VLOo=v  
1i/::4=  
&49$hF g6"  
? x"HX|n  
!\-4gr?`!  
YA+PYA控制 W.`Xm(y  
] @)!:<+  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 gFs/012{  
T3 9C lH  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： 6Z&u  
p/k<wCm6  
!Wixs]od   
YYE8/\+B.  
a WeBav}_  
S6T!qH{6  
qfGtUkSSb  
O5qW*r'  
YA+CAO控制 )?B~64N,+  
y=9Dxst"V  
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 |ck ZyDA  
,9Z2cgXwJ  
q11QAx4p  
UOWIiu  
Ni!;-,H+E  
vS$oT]-hKE  
B)rr7B  
h41$|lonU%  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 4e+BqCriC*  
B6ed,($&  
@)vy'qP d  
GG_^K#*  
6Lg!Lodu  
1Y=AT!"V  
优化宏 M'umoZmW0  
Q+b.-iWR  
请评论区留言联系工作人员获取代码 <TR/ `  
NtY*sUKRD  
基本参数 )X~Pr?52?  
$N;"}Gz  
$ZI~8rI~  
(Ffb&GL  
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： ADYx.8M|9i  
@PQrmn6w