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无焦镜头设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第70课

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课程七十:无焦镜头设计



本文摘要:(由ai生成)

本文介绍了使用SYNOPSYS软件设计无焦镜头的步骤和技巧。无焦镜头在激光光学等领域有广泛应用。文章详细说明了在SYNOPSYS中如何声明无焦系统、评价成像质量、控制搜索宏参数、指定物方远心以及进行初始结构搜索。同时,提供了优化宏的基本参数示例和完整的代码获取方式。对于光学工程师和研究人员来说,本文具有很好的参考价值。
     


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。

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。


无焦镜头的建模

在 SYNOPSYS 中,建模无焦镜头需要在 RLE 镜头文件中申明 AFOCAL。



无焦镜头的像质分析

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。

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。


  

无焦 DSEARCH

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。



无焦的像差控制

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。

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。

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。

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。

对于无焦系统,有额外的几个控制近轴光线的参数:

PYA为边缘光线高度,可控制像高。

PUA是边缘光线角度,可以控制远心率。

PYB是主光线的高度,可以控制光阑。

PUB是主光线角度。



示例的DSEARCH宏




运行搜索宏可以得到10个初始结构,选择合适的初始结构:






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。

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。


YA控制

这个宏添加了指令 M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11

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。




YA+PYA控制

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。

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:





YA+CAO控制

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。





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。




优化宏

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基本参数


   

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PYAPUB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:



        

来源:武汉墨光
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首次发布时间:2024-05-14
最近编辑:5月前
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