[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。 Ok_}d&A  
f5V-;  
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。 2GptK"MrD  
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无焦镜头的建模 Ar!0GwE+  
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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。 YCDH0M  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 <Z%=lwtX  
h+W$\T)  
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。 f}bq  
(mIjG)4t  
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。 DquLr+s~  
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH |SOLC  
#yH+ENp0   
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。 lKsn6c,]  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 ]Ucw&B*@  
NBPP?\1  
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。 MDlH[PJ@i  
S9Sgd&a9  
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。 ~q3O,bb{  
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S-B  
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。 T`E0_ZU
;  
HEVjK$  
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。 \\R}3 >Wc  
(xb2H~WrN  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： "9_$7.q<y  
wOf8\s1  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 fmixWL7.Zg  
1b%Oi.;  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 )
kWxp  
w1tM !4r  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 /wLBmh1"  
7W)W9=&BT  
PUB是主光线角度。 ;].X;Ky<  
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&QQL  

图片:4.png

   OInl?_,,T#  
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示例的DSEARCH宏 *\XOQWrF  
&x1A{j_  

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U 3< 3T  

图片:6.png

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DC h !Z{I  
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： \#,2#BmO"E  
?z.?(xZ 6  
搜索宏 oks;G([  
请评论区留言联系工作人员获取代码 [`@M!G.  
w x]?D%l  

图片:7.png

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D\THe-Vtr  

图片:8.png

~3.*b%,  
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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。 ,1{qZ(l1  
Q` &#u#  
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。 4;AF\De  
   J3mLjYy  
YA控制 RxqNgun@  
v7"VH90`!  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 /Z6lnm7wJ  
N)"8CvQL  
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。 ;y,g%uqE  
bJIYe ld  

图片:9.png

44u)F@)  
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图片:10.png

(?Mn_FNE|  
%4LoEm=U  
YA+PYA控制 i3eF_  
&ww-t..  
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。 'd~(=
6J  
5.\p]>|G1  
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： U,WMP<5&  
ZR\N~.  

图片:11.png

x:Q\pZ  
ycBgr,Ynu<  

图片:12.png

4MPy}yT*  
rp4D_80q  

图片:13.png

iF+:j8 b  
b#?sx"z  
YA+CAO控制 `D(V_WZ  
m538p.(LIR  
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。 iHhdoY[]  
]owgsR  

图片:15.png

UDI\o1Rbp  
y7>3hfn~w  

图片:18.png

av!;k2"
 
];k!*l
R)  

图片:16.png

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szN.cI  
RTh=x.  
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。 }B'-*)^|e{  
Led\S;pl  

图片:17.png

=Q<VU/  
LVg#E*J  

图片:18.png

e#/&A5#Ya  
sY!JB7!j  
优化宏 9HJYrzf{%  
_$R=F/88  
请评论区留言联系工作人员获取代码 o6A$)m5V  
Nqj@p<y/q  
基本参数 UK,bfLPt~  
T!,5dt8L  

图片:19.png

?TpjU*Cxy  
]6M<c[H>  
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： +\Vw:
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e$s&B!qJ  

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