[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。
:`W|hE^  
([k7hUP  
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。 T@48qg  
SI-X[xf  
无焦镜头的建模 !1:@8q  
\"^%90F  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 L* |1/  
5cTY;@@  
^eh/HnJs  
K{DAOQ.z  
无焦镜头的像质分析 w6zBVi  
CZ=0mWfF  
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。 G\~^&BAC  
=>LZm+P  
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。 Mq\~`8V  
#Z9L_gDp  
ycpE=fso'  
Spj9H?m  
无焦 DSEARCH A,XfD}+:Z  
7 .+al)hl  
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。 iuAq.$oi{  
l)|lTOjb  
[)|+F wJ  
'}{?AUDx  
无焦的像差控制 ]+%=@mWYs  
k0ItG?C
v  
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。 bZ5n,KQA5  
%$9bce-fcG  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 fluGf  
u''BP.Y S  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。  ;}4k{{K  
.6T4z7I  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 m|4LbWz  
A3yi?y{[*  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： |uUuFm  
F(4yS2h(  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 3M N  
}76.6=~  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 JvJ;bFXD  
F`&>NQb  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 2d&^Sp&11  
08r[K(bfb,  
PUB是主光线角度。 !S,pR
S+  
!~
JWYY  
   hqW$kw  
r)
B3es&&  
示例的DSEARCH宏 /'&v4C^y>  
h48 bb.p2  
fM:80bnL+  
WZ*&@|w  
4ftj>O  
2"M
_sL  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： :,YLx9i>  
r@|ZlM@O  
搜索宏 X_?%A54z?  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ?>?ZAr  
D_ ug-<QT  
9 z*(8d  
<^sAY P|  
B;c=eMw  
jt%WPkY:  
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。 p JX, n  
Xz* tbW#  
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。 |"\lL9CT  
   8b~7~VCk  
YA控制 Y3M','H([  
2'dG7lLu4  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 mxhW|}_-j  

V=9Bto00  
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。 /cY[at
|p  
Te}IMi:  
MM*-i=  
gTD%4V  

_w%s(dzk  
6#-Z@fz%  
YA+PYA控制 ]>*I)H)  
.m'N7`VB  
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。 ]E..43  
KM@`YV
_"g  
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： |{!Ns+'  
q8tug=c  
Nc:U4  
SmvwhX  
pfNThMf  
>oB ?  
v6(,Ax&  
cWc$yE'  
YA+CAO控制 nu(eLUU  
wEv*1y4  
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。 z22N7W=7  
h!~|6nj  
fl!1AKSn@N  
"$4hv6 s  
s'2y%E#  
:e52hK1[T  
m(h/:JZ\  
ZS|Z98  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 N6f%>3%1|.  
>4#tkv>S.  
tTE3H_  
oRV]p  
#d$d&W~gE  
Mj,2\ijNM  
优化宏
!zF4 G,W  
Dt (:u,%  
请评论区留言联系工作人员获取代码 64;oB_  
}.w#X  
基本参数 JO]`LF]  
e(4bx5<*  
J
J*0M(GG  
OcLg3.:L  
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： vl>_e  
n,1NJKX