[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。 @Rx/]wyH  
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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。 3}h&/KN{  
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无焦镜头的建模 5T  
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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。 Y^6=_^  
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W B!$qie\  
.qVdo+M%F  
无焦镜头的像质分析 gH_r'j  
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=CMF15  
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。 R#T6Ii  
M.IV{gj  
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。 (>8fcQUBb  
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.,"F@  
X,OxvmDm  
SA/0Z=  
无焦 DSEARCH <=7p~ i5  
N7;E 2 X  
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。 &pmJ:WO,h  
*=sU+x&X  
>K &b,o,[  
u5,IH2BU  
无焦的像差控制 {K|{a  
$K,aLcu  
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。 :JN3@NsK  
HFDg@@
 
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。 *
}v'y{;  
6C3y+@9  
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。 RV($G8U  
}>OE"#si  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 >)5vsqGZaK  
~z'0~3  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： H~$|y9>qI  
=k8
A7P  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 9<YB&:<  
R1wdQ8q  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 "Km`B1f`  
h5Z\9`f[  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 S\X_!|  
*FAg^G&1  
PUB是主光线角度。 :heJ5*!,  
(%r:PcGMEV  
   9z-"JnM  
y7w>/7
q  
示例的DSEARCH宏 |/(5GX,X  
B#gmT2L  
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},"g*  
`C()H@;  
L{Th>]X  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： y~dW=zO  
Vnl~AQfk|  
搜索宏 D H.ljGb  
请评论区留言联系工作人员获取代码 [Ytia#Vv  
%*/[aq,#  
._R82gy  
3a5H<3w_  
>:xnjEsi$/  
F0!r9U((  
这里，STOP LAST和STOP FIX在DSERACH宏中被用来设置光阑在最后一个表面。 F?dTCa  
kQb0pfYs  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 q3[LnmH  
   8%NX)hZyq}  
YA控制 _m&VdIPO  
DTJ  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 cn#a/Hx  
*H$
nydQ:  
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。 *[U:'o`67  
nJ?C4\#3  
G]SE A  
PU>;4l  
-Rvxjy)[N  
WDX?|q9rCt  
YA+PYA控制 =#u2Rx%V  
@N(jd($E  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 u1"e+4f  
646yeQ1  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： +-Dd*yD6<  
[0}471  
CxRp$;rk  
u7;A`  
SN+Bmdup  
@U)'UrNr~  
GWW@8GNI  
pta%%8":  
YA+CAO控制
U%4g:s  
^4[\-L8Lpq  
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。 S ~_%  
\w:u&6,0O  
j\vK`.z  
8x{vgx @M  
l=oVC6C  
D;L :a`Y  
B -KOf  
=j{jylC  
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。 e\dT~)c  
<Hp"ZCN  
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rNAu@B  
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优化宏 :}-u`K*  
0 mQ3P.9  
请评论区留言联系工作人员获取代码 &SM$oy#?  
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基本参数 KCFwO'  
Q.XsY.{  
 LJ))  
'2tEKVb  
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： KCu6:)6'  
=, 0a3D6b