[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。 Wbxksh:)Q  
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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。 x*V<afLY[  
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无焦镜头的建模 ^q2zqC  
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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。 MqH~L?~}|  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 UlytxWkUX  
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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。 2_v>8B  
m,O!Mt  
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。 _r'M^=yx[  
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH N3) v,S-  
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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。 c @R6p+  
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c-d}E!C:  
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无焦的像差控制 YvX I  
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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。 ak[)+_k_  
-^DB?j+  
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。 Ea?.HRxl  
EM}z-@A>  
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。 RUKSGj_NJ  
>Z%`&D~u  
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。 =@o}  
Q2Rj0E`  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： v'tk:Hm1  
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 d.A0(*k,  
-f=hL7NW  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 Lw`\J|%p  
~l~g0J
 
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 mZyTo/\0  
J7xmf,
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PUB是主光线角度。 >^&+,*tsS4  
T^_9R;  

图片:4.png

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示例的DSEARCH宏 0J~4   
-}@9lhS,  

图片:5.png

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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： S

J5kA`  
S6]':  
搜索宏 {Y Ymt!Ic  
请评论区留言联系工作人员获取代码 8*wI^*Q  
e=2D^G#qE  

图片:7.png

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0N.*c  

图片:8.png

lS^0*(Y  
o9i\[Ul  
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。 e3K  
Cp%|Q.?  
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{C3ijR  
   $4&Ql  
YA控制 q<VhP2R  
|wDCIHzQ  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 r
y'(mM  
:&m(WZ\  
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。 =>G A_  
,v"A}g0"  

图片:9.png

]G:xTv8  

<mN3:G  

图片:10.png

jKzjTn9{E  
$dR%8@.H  
YA+PYA控制 9L}
;vkYk#  
Ero3A'f  
在这个宏中，我们添加了指令M 3 10 A PYA 11，用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3。 <  -Nj  
V;"'!dVX  
通过运行CAP命令，我们发现表面11的通光孔径实际上是4.6，大于控制目标3。这是因为我们控制了近轴边缘光线的高度（红色的光线），但是通光孔径是由主光线（蓝色和绿色的光线）的真实光线高度决定的，如下图所示： ^|Y!NHYH$Z  
c\Dv3bF  

图片:11.png

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图片:12.png

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图片:13.png

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YA+CAO控制 >97N $  
4P8:aZM  
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。 !>Xx</iD1  
?V0IryF;  

图片:15.png

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9g7T~|P  

图片:18.png

8PQt8G.  
<*[(t;i  

图片:16.png

sd
b#K?l  
ps2C8;zT  
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。 n3(HA  
2h=RNU|  

图片:17.png

+mJAIjH  
Fq8Z:;C8  

图片:18.png

mU!c;O  
>a<;)K^1  
优化宏 iY="M_kQ_  
8:f(PN  
请评论区留言联系工作人员获取代码 u%FA.  
zIu1oF4[  
基本参数 Q8_d]V=X:  
^#nAS2w7U  

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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： U-@\V1;C  
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