[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。 FbQ"ZTN\;Y  
7g3vh%G.  
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。 xd\k;nq  
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无焦镜头的建模 \{L!hAw  
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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。 F*hOa|7/  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 tUl#sqN_{  
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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。 U<
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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。 jdV E/5  
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH A!&p,KfT5+  
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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。 #\1;d8h  
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j?4k{?x  
A1x?_S"a  
无焦的像差控制 -:
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#R<4K0Xan  
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。  .BJ;
}  
m/3b7c@r  
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。 g@hg u  
k$?zh$  
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。 HcwqVU  
=Y>_b 2  
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。 ]N!382  
<SmXMruU  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： 3{ i'8  
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 J2 {?P cs  
#>C.61Fx  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 2/O/h  
=xScHy{$  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 F)g.CDQ!c  
{0F\Y+  
PUB是主光线角度。 v.H00}[.  
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示例的DSEARCH宏 XzGPBi  
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运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： |&lAt\  
;g$s`l/ 4  
搜索宏 j4Ppn  
请评论区留言联系工作人员获取代码 &PWz4hZ  
Q]Q]kj2  

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7
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图片:8.png

0@z=0}0Z  
LM}0QL m?  
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。 nAv@^G2  
v8p-<N)  
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。 .q#2 op  
   YFgQ!\&59  
YA控制 VXlTA>a }  
e8O[xM  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 vk:@rOpl  
~Q%C>  
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。 'aMT^w4if)  

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1,  

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m~ :W$x1+  
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图片:10.png

X+"8yZz3?  
+ou5cQ^  
YA+PYA控制 MFO}E!9`q  
a.QF`J4"'  
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。 .n1]Yk;,1  
,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： 10xo<@l  
(NrH)+)J!a  

图片:11.png

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图片:12.png

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^,[V;3  

图片:13.png

2ijw g~_@  
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YA+CAO控制 N4Yvt&  
B]oIFLED  
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。 Jx[Z[RO2  
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图片:15.png

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Q?rb(u(  

图片:18.png

NMb`d0;(  
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[X[d`@rXv  
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Ph{q  
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。 d[;=X.fZ2  
Fn0Rq9/@  

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H  
{:M5t1^UC  

图片:18.png

y)_T!&ze  
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优化宏 VKRj 1LXz  
I;kKY  
请评论区留言联系工作人员获取代码 k6-.XW  
xgP/BK2"  
基本参数 3#vhQ*xU  
RkP g&R;i  

图片:19.png

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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： H^P uC (  
._JM3o}F  

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