[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。 &..'7  
3PI{LU  
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。 O:p~L`o>>  
H)t8d_^|j  
无焦镜头的建模 w}oH]jVKL6  
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在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 k3^S^Bv\  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 f0MHh5  
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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。 @0n #Qs|E!  
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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。 CQ#p2  
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d=H C;T)  
无焦 DSEARCH :+!hR4Z~\;  
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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。 ~;Xdz/  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 3 T&m  
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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。 khW3z*e#  
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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。 eX;"kO  
z`f1|Ok  
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。 m:X;dcq'3  
6M259*ME  
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。 2l8jw:=H  
E]_sl/`{od  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： Y~fds#y0  
@ ;rU#  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 a?\ Au  
e@=Bl-  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ^ 8egn|  
8 :Z3Q  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 WAkKbqJV  
,%>/8*  
PUB是主光线角度。 RUSBJsMB  
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图片:4.png

   ;`s/|v  
@/B&R^aVZ  
示例的DSEARCH宏 LUw0MW(Moi  
VY Va8[}  

图片:5.png

b^6Ooc/-k  
Hco[p+  

图片:6.png

VT;$:>!+  
om;jXf}A  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： hPD2/M  
RzFv``g  
搜索宏 co@Q   
请评论区留言联系工作人员获取代码 z.P) :Er  
I:bi8D6  

图片:7.png

] 6M- s  
1r|'n aiZ  

图片:8.png

F.
^1|+96  
fh}\#WE"  
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。 ?uOdqMJV  
^'6!)y#  
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。 `NyvJt^<  
   l#V"14y  
YA控制 l;F3kA  
YM/GSSq  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 qmv%N  
%0$$tS +  
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。 g' H!%<  
*d?,i-Q.+  

图片:9.png

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1[:?oEI  

图片:10.png

qZG "{8  
QcIa%lf  
YA+PYA控制 5e6]v2 k  
^)D[ W(*  
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。 O: :X$O7  
50uNgLs  
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： Y(-4Agq  
8u!!a^F  

图片:11.png

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(9{)4[3MAG  

图片:12.png

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+  
s(r(! FZ  

图片:13.png

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C  
YA+CAO控制 BC9rsb  
'k{pWfn=<  
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。 !#5RP5,,Y  

w8%<O^wN,  

图片:15.png

BXnSkT7  
aS-rRL|\L  

图片:18.png

+F]X  
VSL6tQp  

图片:16.png

- b:&ACY  
J-au{eP^  
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。 Y2"X;`<  
=*~]lz__M  

图片:17.png

R%"wf   
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图片:18.png

vxzh|uF  
OjCTTz
 
优化宏 KtG|m'\D  
nNSq6 Cj  
请评论区留言联系工作人员获取代码 J/:
9;{R  
c0sU1:e0  
基本参数 #tRLvOR:  
)}0(7z Yu  

图片:19.png

C{`+h163\  
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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： }S\\"SBC  
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