[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。 KKx&UKjV  
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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。 }<( "0jC  
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无焦镜头的建模 otmIu`h  
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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。 jRv;D#Hp  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 8{}Pj  
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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。 z")3_5Br  
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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。 w%i+>\tO  
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无焦 DSEARCH nhVK?  
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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。 IEno.i\  
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无焦的像差控制 xWenKY,  
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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。 C&gOA8nf  
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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。 yBYuDfeZ  
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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。 sUyCAKebRr  
wS F!Xx0  
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。 7.lK$J:  
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： ?{@!!te@3v  
%9~kA5Qj  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 F- !}
dzO  
BRo R"#'  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 >+A1 V[  
:w {M6mM>  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 {L-{Y<fke  
}6uV]V{  
PUB是主光线角度。 zCj*:n  
9:CVN@E  

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示例的DSEARCH宏 T(sG.%  
?FY@fO?es  

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图片:6.png

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"EOk^1,y  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： m5'__<  
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搜索宏 z/P^-N>  
请评论区留言联系工作人员获取代码 ' F 6au[  
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%CsTB0Y7n,  
N) V7yo?  
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。 2t]! {L  
9|G=KN)P:  
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。 8,H#t@+MT  
   RBv=  
YA控制 9sO{1rF  
0-t4+T  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 R+ #.bQg  
)K\k6HC.  
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。 QX.F1T2e?  
3*2&Fw!B  

图片:9.png

J<5vs3[9  
RqX4ep5j  

图片:10.png

)qe$rD;N  
6>N u=~  
YA+PYA控制 ('o; M:  
@|\s$L  
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。 x9&tlKKxf  
9/X v&<Tn  
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： !+
*?pq  
{C0OrO2:  

图片:11.png

&' Nk2{  
b]s1Q ]V  

图片:12.png

xt<, (4u  
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图片:13.png

u UVV>An  
{L2Gb(YLW  
YA+CAO控制 <8z[,X}bM  
bcx{_&1p  
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。 %BYlbEx  
B'BbTI,  

图片:15.png

}~\].I6  
woH3?zR  

图片:18.png

KbuGf$Bv  
.+JPtL  

图片:16.png

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Fp|rMq
 
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。 Y;/=3T7An  
<hF~L k ,  

图片:17.png

-
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I3E8vi%B.  

图片:18.png

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优化宏 oj4)7{  
B43#9CK`o  
请评论区留言联系工作人员获取代码 %Ty {1'o  
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基本参数 Xde=}9  
!#|fuOWe  

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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： {ZIFj.2  
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