[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。 }0T1* .Cz  
+gTnq")wnI  
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。 DY6wp@A  
x~}RL-Y2o  
无焦镜头的建模 Da)[mxJ  
W:P4XwR{  
在 SYNOPSYS 中，建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。 ]7ROCJ;  
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图片:1.png

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abtAkf  
无焦镜头的像质分析 4.7ePbk[E  
s} ,p>8  
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。 "!gd)^<e  
C}+w<  
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。 UR?[ba_h  
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图片:2.png

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l?B\TA^  
无焦 DSEARCH o\8yYX  
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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。 AFl]w'=  
QdG_zK>|e  

图片:3.png

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无焦的像差控制 y1/$dn  
6d,jR[JP  
无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 gmWR
w{nS+  
rZ1${/6  
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。 0,nDyTS^  
#OH-LWZh  
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。 xF5q=%n  
DPi%[CRH  
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=e]v9  
\A _g  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： 9>qR6k?  
T?)?"b\qz  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 BULX*eOt  
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!9  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 JMw1qPJQ  
gec<5Ewg  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 29pIO]8;  
9~<HTH  
PUB是主光线角度。 z![RC59S  
veAGUE %3  

图片:4.png

   #~q{6()e:  
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示例的DSEARCH宏 Z= dEk`  
1/3Go97/qV  

图片:5.png

gc7S_D~;  
?Il$f_"B:  

图片:6.png

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7Xm pq&g  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： I)]wi%  
6YQ&+4  
搜索宏 G{i}z^n  
请评论区留言联系工作人员获取代码 P6zy<w  
]k_@F6 A  

图片:7.png

%w,  
uY,&lX+!  

图片:8.png

P(d4~hS  
M$ `b$il  
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。 *;(
LKRV  
,;'9PsIS^  
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。 VieC+Kk  
   # h]m8  
YA控制 j>+x|!k  
I`}-*%ki(  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 jnYFA[Ab  
&p^S6h  
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。 "?EA G  
_+S`[:;a  

图片:9.png

+eZR._&0  
lq}=&)%C  

图片:10.png

tEf_
XBjKV  
ync2X{9D  
YA+PYA控制 =K=FzV'_~  
mrX3/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。 l!<Nw8+U  
5*{U!${a  
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： 07DpvhDQ  
wLPL9  

图片:11.png

h-=3b  
KY<>S/  

图片:12.png

@H"~/m_o  
3 ~0Z.!O  

图片:13.png

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N{)"  
KtUI(*$`  
YA+CAO控制 ^1BQejD  
``)ys^V  
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。 G,e>dp_cPu  
xN:ih*+,v  

图片:15.png

R)"Ds}1G  
P&V,x`<Z  

图片:18.png

F``$}]9KHD  
~z$vF  

图片:16.png

{O*WLZ{0  
9w^1/t&=04  
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。 AqZ{x9g!  
;"hED:z6%  

图片:17.png

[h+MA>%!  
k)UF.=$d  

图片:18.png

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优化宏 //nR
=Dy{  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 Q>] iRx>MZ  
\Y_2Z/  
基本参数 !jL|HwlA  
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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： ~0,Utqy  
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