[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。 %)e&"mq!|  
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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。 -8SZ}J  
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无焦镜头的建模 `mquGk|)  
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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。 jTqEV(  
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无焦镜头的像质分析 ;Ji3|=4u  
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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。 FyV $`c$  
rt\.|Hr4s  
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。 d 0:;IUG  
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i,l$1g-i  
无焦 DSEARCH `L3{y/U'  
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SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 Qn@[{%),4  
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无焦的像差控制 |8akp  
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 @680.+Kw  
&p55Cg@e)  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 VrJf g  
I8\R7s3  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 '.7ER  
ZD<e$PxxCd  
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。 3.Jk-:u %m  
k%;oc$0G-3  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： iVb7>
d9}  
4^ZbT  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 uFfk!  
.F0Q<s9  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 @ b}-<~  
'lOpoWDL  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 OS=~<ba  
43!E>mq  
PUB是主光线角度。 ye4GHAm,p  
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   nlc$"(eA[H  
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示例的DSEARCH宏 xr31<
4B  

F1%^,;  
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j$P`/-N  
[*r=u[67F  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： Ru$%gh>v  
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搜索宏 ZSLvr-
,D  
请评论区留言联系工作人员获取代码 {3``B#}  
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I.U=%{.  
)c<[@::i  
&_'3(xIO  
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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=ObfN"ge  
(bD#PQXzm  
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。 <Kk?BRxi  
   (Y  
YA控制 ~bgM*4GW  
_lfS"ae  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 S)`@)sr  
|W5lhx0U  
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。 
x.'Ys1M  
i4)]lWnd  
$]4o!Z  
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'T]Ok\  
">q?(i\  
YA+PYA控制 J$S*QCo  
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L9  
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。 {z@a{L:SC  
MTn}]blH  
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： %U9f`qE  
k>:\4uI|<\  
=h/61Bl3  
S"@@BQ#mf  
XLlJ|xhY-K  
]G,BSttD  
I:YE6${k!  
YOUX  
YA+CAO控制 m(CsO|pz  
Gy
c_B  
在这个宏中，我们用CAO操作数来控制光阑的大小为3。我们可以看到，现在来自不同视场的光线很好地填充了光阑。通过运行CAP命令，光阑孔径大小与我们的目标非常接近。然而，在这个系统中，BACK（从最后一个镜头表面（表面10）到STOP表面（表面11）的距离）要比之前的小。为了保持理想的BACK目标，我们需要在DSEARCH中增加该控制的权重，或者在搜索后的优化中尝试优化它。 <WL] (-9I:  
t6~~s iQI'  
va!fJ  
vQ>8>V  
B8>@q!G8P  
J5}?<Dd:  
pAyUQe;X#  
8L*#zaSAf  
使用指令STOP Telecentric 可以指定物方远心，在不同视场的入射主光线是相互平行的。 DKG;up0  
Sb`SJ):x  
`*cJc6  
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5[P^O6'  
CH$*=3M  
优化宏 kE1k@h#/  
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请评论区留言联系工作人员获取代码 Vr #o]v  
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基本参数 5Trc#i<\  
y.a)M?3  
x6Q_+!mnk  
sfsK[c5bm  
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： G_xql_QR  
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