[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。 kxr6sO~  
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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。 .!7Fe)(x  
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无焦镜头的建模 &;r'{$  
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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。 _rWM]  
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图片:1.png

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无焦镜头的像质分析 yi AG'[  
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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。 !_
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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。 Q%X:5G
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图片:2.png

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无焦 DSEARCH a6#{2q  
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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。 4acP*LkkQ  
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图片:3.png

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无焦的像差控制 Sug~FV?k$e  
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 #LrCx"_&  
BW;=i.  
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 pZ@W6}  
P&-D0T_  
所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 L_.xr ?  
YN5OuKMUd'  
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 @y;tk$e  
Y|x6g(b  
对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： 9Ww=hfb5UW  
"x=@,*Bk  
PYA为边缘光线高度，可控制像高。 3 4A&LBwC  
mNBpb}  
PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 9>.<+b(>!'  
_I -0,  
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 @tjZvRtZ  
%DND&0`  
PUB是主光线角度。 B4*X0x  
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图片:4.png

   1=o(sIeA  
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示例的DSEARCH宏 i
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v&CO#vK5.  

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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： 0t:|l@zB  
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搜索宏 OL mBh3&  
请评论区留言联系工作人员获取代码 Ygkd~g  
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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。 g)r,q&*  
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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。 $nD k mKl  
   ReGO9}  
YA控制 omUl2C  
x+)hL D[ n  
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 +IOK
E\,Y  
qU x7S(a  
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。 BUy}Rn  
3bI|X!j  

图片:9.png

[F>n!`8  
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图片:10.png

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YA+PYA控制 kp &XX|  
[#@p{[?r  
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。 K?9H.#(  
<812V8<!  
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： { G>+.  
"F.J>QBd  

图片:11.png

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Hd@T8 D*A  

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b!tZbX#  
YA+CAO控制 r@V(w`  
[?r\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。 8#JyK+NU  
RkXLE"G'  

图片:15.png

-3XnK5  
WaO;hy~us  

图片:18.png

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l=OC?d*m  

图片:16.png

H(ftOd.y  
x:wq"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。 ~sja^  
P6
Z,ci17  

图片:17.png

^J=txsx  
C g,w6<7  

图片:18.png

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优化宏 &(U=O?r7  
C&K(({5O  
请评论区留言联系工作人员获取代码 L$07u{Q  
7^}Z%c  
基本参数 I Y-5/
 
O#Ax P}  

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|8?{JKsg  
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： ?=o]Wx0(9  
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