[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。 8|A*N<h  
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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。 %+iJpRK)7  
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无焦镜头的建模 3u7^*$S  
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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。 iWu$$IV?-  
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图片:1.png

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DCv~^  
无焦镜头的像质分析 =<
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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。 p]uwGWDI  
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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。
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH *P&ZE   
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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。 F{\MIuoy  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 U]lXw+&  
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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。 <;:M:{RZY  
I ;N)jj`b  
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。 dV<|ztv  
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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。 +5Yc/Qp  
"q4c[dna  
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。 ++-\^'&1  
#uJGXrGt=  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： yzW9A=0A)  
JK.lL]<p i  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。  rxQn[  
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 ZKyK#\v<  
Q+E%"`3V4l  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 !.mMO_4}  
IB:Wh;_x  
PUB是主光线角度。 oop''6`C%  
2/f:VB?<T  

图片:4.png

   ,JyE7h2%i  
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示例的DSEARCH宏 j8?z@
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图片:6.png

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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： nC^?6il  
j8nG Gx  
搜索宏 703=.xj  
请评论区留言联系工作人员获取代码 mV0F^5  
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图片:7.png

,T?8??bZ  
n.p6+^ES  

图片:8.png

#>dfP"}&,  
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Ze4~|#  
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。 kPF[E5  
:)X?ML?  
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。 f sAgXv  
   :Eq=wbAw  
YA控制 Ha9A5Ao}0  
1iEZ9J?  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 nJ |O,*`O  
bvzeUn  
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。 $A,fO~  
S',i  

图片:9.png

Q[`J=  
\](IBI:  

图片:10.png

[R-4e; SRh  
F@4XORO;  
YA+PYA控制 ?#ue:O1  
|ZW%+AQ|  
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。 u{xjFx-  
.g_BKeU  
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： z|[#6X6tT  
K-F@OSK'  

图片:11.png

zd AqGQfc  
}C.M4{a\  

图片:12.png

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Z{RRhJ  

图片:13.png

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P2  
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YA+CAO控制 )[Bwr bn  
rXXIpQRi$S  
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 aG;6^$H~  
epp ;~(xr  

图片:15.png

e|u|
b  
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图片:18.png

4$J:A~2H]  
ysD@yM,  

图片:16.png

FLdO  
",&#9  
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。 n-[J+DdB  
 ::Y  

图片:17.png

;%P$q9*C  
b{qeu$GR  

图片:18.png

C-4NiXa  
(lF;c<69  
优化宏 D"_~Njf  
iaBy/!i  
请评论区留言联系工作人员获取代码 z:<mgp&/<  
{?m;D
Yv  
基本参数 Dv?'(.z  
Z#YkAQHv5  

图片:19.png

z)"7qqA  
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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： '0x`Oh&PK  
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