“光路可逆”是被我們熟知的概念，我們在初學(xué)光學(xué)的時候，頭腦中就保持了這樣的意識，做習(xí)題時也慣用翻轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的方法去求解問題的答案。雖然這個過程在我們腦子中只是電光火石的一瞬，但是在軟件中實(shí)現(xiàn)還需要一點(diǎn)點(diǎn)額外的步驟，來確保得到我們想要的結(jié)果。今天讓我們共同學(xué)習(xí)： 如何翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)。

概述

這篇文章介紹了翻轉(zhuǎn)元件 (Reverse Elements) 工具的使用方法，并介紹了如何利用這一工具翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)。 內(nèi)容不僅涵蓋在使用工具前所需的準(zhǔn)備，還包括翻轉(zhuǎn)光學(xué)系統(tǒng)后如何調(diào)整物面厚度、像面距離和視場定義等系統(tǒng)參數(shù)，令新系統(tǒng)能夠正常地工作。

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引言

有些時候，把一個光學(xué)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)過來分析會更加簡單和方便。OpticStudio中的翻轉(zhuǎn)元件 (Reverse Elements) 功能能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的操作。雖然它的設(shè)計初衷僅是翻轉(zhuǎn)一個或一系列元件，但只要我們調(diào)整合理，翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)也是能夠?qū)崿F(xiàn)的。 本文將介紹如何利用翻轉(zhuǎn)元件 (Reverse Elements) 工具翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)，并合理調(diào)整翻轉(zhuǎn)后的系統(tǒng)。

準(zhǔn)備翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

為了演示如何翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)，請您下載附件中的序列模式文件。文件中光學(xué)系統(tǒng)最初布局圖如下所示：

這是一個經(jīng)典的無限遠(yuǎn)共軛的庫克三片攝影物鏡。 要翻轉(zhuǎn)這個系統(tǒng)，首先要考慮在翻轉(zhuǎn)后的系統(tǒng)中，我們應(yīng)該采用怎樣的孔徑定義。如果可能的話，將系統(tǒng)孔徑類型更改為光闌尺寸浮動 (Float By Stop Size) ，這種類型是首選的，因為它在翻轉(zhuǎn)前后的系統(tǒng)中均能生效。如果不能選擇該類型，則需要考慮如何將系統(tǒng)的像空間孔徑定義轉(zhuǎn)換到物空間（如，將入瞳直徑與出瞳直徑互換）。 在本例中，我們選擇光闌尺寸浮動孔徑類型，該操作在系統(tǒng)選項 (System Explorer)…系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 中進(jìn)行：

第二，即使原本的系統(tǒng)沒有光瞳像差，翻轉(zhuǎn)后的新系統(tǒng)也可能有光瞳像差。所以， 我們應(yīng)該打開近軸光線瞄準(zhǔn)。我們可以在系統(tǒng)選項 (System Explorer)…光線瞄準(zhǔn) (Ray Aiming) 中選擇近軸 (Paraxial) 實(shí)現(xiàn)這一步操作。

你可以在“如何使用光線瞄準(zhǔn)”一文中查閱更多有關(guān)光線瞄準(zhǔn)的信息。
為了防止翻轉(zhuǎn)后系統(tǒng)尺寸發(fā)生改變，我們把每個面的半徑值鎖定住。這一步可通過選擇鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 工具欄上的將半直徑轉(zhuǎn)化為表面孔徑 (Convert Semi-Diameters to Circular Apertures) 輕松實(shí)現(xiàn)。

我們還需考慮在翻轉(zhuǎn)后的系統(tǒng)中如何定義視場點(diǎn)，所以你需要知道原本系統(tǒng)中，每個視場主光線在像面上的位置或角度數(shù)據(jù)。如果原本系統(tǒng)在像空間是聚焦的，那么我們可以用“角度 (Angle)”或“物高 (Object Height)” 來定義視場類型。如果原本的系統(tǒng)是無焦的，則需要采用“角度 (Angle)” 視場類型，并根據(jù)原本系統(tǒng)的光線數(shù)據(jù)，手動輸入主光線的入射角度。 這些數(shù)據(jù)可由分析 (Analyze)…光線跡點(diǎn) (Rays & Spots)…單光線追跡 (Single Ray Trace) 生成的文本中查看，也可以從參考主光線的點(diǎn)列圖上讀出。

本例中，翻轉(zhuǎn)的系統(tǒng)將在物空間聚焦，故我們選擇每個視場主光線在像面上的位置定義視場。點(diǎn)擊分析 (Analyze)…光線跡點(diǎn) (Rays & Spots)…標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖 (Standard Spot Diagram) 打開點(diǎn)列圖窗口，記下每個視場點(diǎn)的像點(diǎn) (IMA) 坐標(biāo)。

在這個案例中，視場1、視場2和視場3的坐標(biāo)分別為0、12.419和18.137。我們將在翻轉(zhuǎn)后的新系統(tǒng)中定義物高 (Object Height) 類型的視場時用到它們。

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

下一步，用鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 工具欄上的翻轉(zhuǎn)元件 (Reverse Elements) 按鈕翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)中所有光學(xué)表面。

指定要翻轉(zhuǎn)的面的范圍時，應(yīng)包括除去物面和像面的所有表面。

接下來的步驟需要根據(jù)原系統(tǒng)分情況討論：

在本例中，原系統(tǒng)在物空間是無焦的，像空間是聚焦的。所以我們應(yīng)該將像面前一個面的厚度拷貝給物面厚度。

現(xiàn)在，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的數(shù)據(jù)如下：

之后，我們需要在系統(tǒng)選項 (System Explorer)…系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 中更改無焦像空間 (Afocal Image Space) 的設(shè)置。 如果原系統(tǒng)在像空間是無焦的則取消該選項的勾選，如果原系統(tǒng)在像空間是聚焦的（如本例）則勾選此項。

類似地，我們也需要改變系統(tǒng)選項 (System Explorer)…系統(tǒng)孔徑 (Aperture)…遠(yuǎn)心物空間 (Telecentric Object Space) 的設(shè)置。 如果原系統(tǒng)是像方遠(yuǎn)心的，則勾選此項，如果原系統(tǒng)不是像方遠(yuǎn)心的（如本例）則確保此項沒有被勾選：

最后，我們需要以上文提到的方式更改視場的定義。因為我們的原系統(tǒng)物方無焦而像方聚焦，所以要用原系統(tǒng)主光線的像點(diǎn)坐標(biāo)定義新系統(tǒng)的物高。 我們同樣可以使用視場數(shù)據(jù)編輯器 (Field Data Editor) 的視場類型 (Field Type) 標(biāo)簽下的轉(zhuǎn)化為 (Convert To) 工具，但要保證去掉結(jié)果前的負(fù)號。

當(dāng)你打開3D布局圖窗口，你會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)成功翻轉(zhuǎn)。

如果你沒能得到如上圖一樣的圖形，那么你可能需要檢查一下布局圖設(shè)置中起始面的設(shè)置：

總結(jié)

雖然翻轉(zhuǎn)元件 (Reverse Elements) 工具的設(shè)計初衷并非翻轉(zhuǎn)整個光學(xué)系統(tǒng)，但我們可以利用它和其他幾個額外的步驟實(shí)現(xiàn)對整個光學(xué)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)。