| 小火龙果 |
2024-05-17 18:01 |
无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课
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。 ^ # 3,*(S
f{U,kCv
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。 2=$ F*B>9
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无焦镜头的建模 G Q}R xu]
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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。 Yu:($//w
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[attachment=128644] j.:f =`xf
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无焦镜头的像质分析
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有焦镜头评价成像质量，一般会在距离空间，比如用RMS光斑尺寸评价。 `+(4t4@ew
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无焦的光线分析输出是在角度空间（即光线角度）中，而不是在像面的光线截距。OPD 输出表示波前与平面波的偏离。所以在 SYNOPSYS 建模无焦镜头时，像面要用两个平面虚拟表面来描述。MTF 的空间频率单位也从线对/毫米转换成线对/毫弧度。 m}+_z^@j9
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[attachment=128645] Lbu,V X
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无焦 DSEARCH BJjx y0+
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SYNOPSYS 的 DSEARCH 也可以直接搜索无焦镜头，会自动将一些尺寸量转换为角度量进行优化。 n6{nx[%7N7
/Q'O]h0 a
[attachment=128651] :AyZe7:(D
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无焦的像差控制 \b?O+;5Cj
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无焦的F数将会用近轴边缘出射光线的高度表示，可以用此控制像高或放大率。 |`Be(
g XB&Sgjo
设置AFOCAL之后，DSEARCH自动生成的GSR/GNR等光线集指令将自动控制无焦系统出射光线的平行度，就像有焦系统里自动控制光斑尺寸一样。 Mm%b8#Fe!
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所以一般情况下不需要额外的指令去控制出射光线的平行度。 =<U'Jtu6'
\>+BvF
对于AFOCAL系统来说，BACK量是最后两个（虚拟）表面到之前的表面距离，这就方便控制目镜的接目距，在这个案例里我们使用BACK 20 0.1。 2>im'x 5
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对于无焦系统，有额外的几个控制近轴光线的参数： BXr._y, cr
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PYA为边缘光线高度，可控制像高。 <9`/Y"\ p
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PUA是边缘光线角度，可以控制远心率。 )T@+"Pw8t
Q#Xa]A -
PYB是主光线的高度，可以控制光阑。 }te d h
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PUB是主光线角度。 C12y_E8Un
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[attachment=128646] %j ?7O00 @
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示例的DSEARCH宏 E /V`NqC
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[attachment=128647] AmcBu"
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[attachment=128657] ( Jk:Qz5
yJw4!A 1!
运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构： cQ/T: E7$`
LdyE*u_
搜索宏 IE&G7\>(yO
请评论区留言联系工作人员获取代码 -ha[xM05
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[attachment=128648] ~<[ ]l~`
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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。 =Lr#
*ep[
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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。 V _pKe~
VB{G% !}
YA控制 BO;LK-V
'w}/ o+x@
这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 6}PoBhgSg-
e6^iakSd.L
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-TJ+d
3<H PZWc
[attachment=128659] BU;E6s>P
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[attachment=128658] Q |^c5
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YA+PYA控制 %:[Y/K-
NGb\e5 ?
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。 >HQ<KFA
D i #E m[
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： * 5;#+%A
uJ/ &!q<3
[attachment=128662] G-sA)WOF
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[attachment=128661] Sc&p*G
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[attachment=128653] 5}2XnM2
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YA+CAO控制 B!z5P" C(~
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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。 rfxLCiV
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[attachment=128649] fHwr6"DJ
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[attachment=128663] @60/IE{- v
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[attachment=128650] kc70HrG
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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。 .(2ui~ed
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(.B+U'6
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优化宏 Kzgn h gc
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请评论区留言联系工作人员获取代码 /*5lO;!s{
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基本参数 `. a~G
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[attachment=128656] U49
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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： |#=4]]>m
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[attachment=128654]
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