[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。 zJ8T.+qJ  
`g1?Q4h  
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。 |-/@3gPO  
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无焦镜头的建模 {RI^zNgs[  
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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。 ( EJ1g^|"  
Il@K8?H@  

图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 Q/Z>w+zh#  
W!XBuk-  
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。 _IU5HT}2  
TeZu*c  
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。 R7z @y o  
1qn/*9W}=  

图片:2.png

f&5S`}C  
Vtj*O'0  
无焦 DSEARCH ?rt[ aK  
; Gv-$0{P3  
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。 '*`n"cC:  
#huh!Mn  

图片:3.png

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4,QA {v  
无焦的像差控制 V:5aq.o!  
P;gd!Yl<-  
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。 p8.JJt^  
9{SzE /[  
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。 OC,yLQ  
Z)(#D($-  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 U5cbO{\3I  
vOKNBR2  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。
X5+^b({  
# 7dvT=  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： H[pvC=O=  
Xs$a^zZ  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 @m`H~]AU  
qycf;Kl:6  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Q8l vwip  
&y73^"%  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 ft{i6}  
ZK2&l8  
PUB是主光线角度。 [Ax:gj  
w0sy@OF  

图片:4.png

   6yYd~|T.Fl  
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示例的DSEARCH宏 }>,%El/  
x=W s)&H_Y  

图片:5.png

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~tW<]l7  

图片:6.png

9"B;o  
*j1Skd.#At  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： wLO"[,  
=:R${F  
搜索宏 Ae^4  
请评论区留言联系工作人员获取代码 }7fzEo`g  
r}|)oG,=  

图片:7.png

NX;{L#lQ  
-s0J8b  

图片:8.png

p!T
ac%D+k  
Ew{N2  
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。 }VH2G94Ll  
0T$`;~  
但是GOALS的STOP LAST和STOP FIX只控制近轴光线。如下图所示，在近轴光线追迹的结果中，光阑确实是在最后一个表面，但在PAD图里实际看到光阑在像面前方一定距离。 T{#=A$vu  
   `-W4/7  
YA控制 :G^4/A_  
0}kvuuR  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 .OW5R*  
\j we  
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。 kY4h-oZ  
GV9pet89yu  

图片:9.png

%A&g-4(  
Cf<TDjU`|  

图片:10.png

% 1<@p%y/  
6is+\  
YA+PYA控制 t[b(erO'  
0
q1+5  
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。 q}g0-Da  
>Mm.MNU  
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： zrtbk~v8y  
Ut2x4$9  

图片:11.png

jM'Fb.>~  
Fk`6 q
 

图片:12.png

p1z^i(  
oye/tEMG  

图片:13.png

GsqO^SV  
*9r 32]i;  
YA+CAO控制 _B}QS"A  
~~ty9;KYL  
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。 c8cGIAOY)  
|ew:}e: k<  

图片:15.png

itO1ROmu  
 VOmS>'$  

图片:18.png

<(~geN  
_9/Af1X  

图片:16.png

k@9q5lu;T  
6HVGqx  
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。 j8t_-sU9 i  
7H[.o~\  

图片:17.png

3ZYrNul"  
*b1NVN$  

图片:18.png

i}5+\t[Q  
.Ag)/Xm(?  
优化宏 Yd~Tzh  
8O*O5  
请评论区留言联系工作人员获取代码 \FyHIs  
CT{X$N  
基本参数 OadGwa\:s  
-]MZP:s  

图片:19.png

j0e1CSE  
j 2Jew  
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： ~eGtoEY  
!z?:Y#P3  

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