近红外镜头设计
参考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》书第十四章
G|Ti4_w
现有的近红外镜头设计文件为1.RLE,其保存路径为C:\Synopsys\Dbook\。我们首先选择该路径,然后在CW窗口中输入:SYNOPSYS AI>FETCH 1,点击‘Enter’键。再在CW中输入:SYNOPSYS AI>PAD,点击‘Enter’键。这样,即可获得近红外镜头初始设计结构,如图1所示:
5BIY<B+i 图1 近红外镜头初始设计
rq{$,/6. )0`C@um 接着,我们检查该近红外镜头的设计
参数,仅在CW窗口中输入:SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下:
\fOEqe*5SM RLE !读取镜头
]Wup/o ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 !镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
F ,kZU$ FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
a?1Wq LOG 3119 !日志编码
KNl$3nX WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 w0.
u\ APS 4 !定义光阑面为表面4
xT8?&Bx NOVIG !关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线,不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
P55fL-vo|} UNITS MM !
透镜单位为毫米
PCA4k.,T OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 !无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR !物面处于空气中
*~`(RV 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
:jf3HG 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
?6!LL5a. 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
e-;}366} 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
`[A];] 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
lE;!TQj:X 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
;uW FHc5@B 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
TeQV?ZQ#} 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
9c],<;{' 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 !ZNS材料的折射率温度系数
Jm@oDME_E 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
l (o~-i\M 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
Om&Dw|xG8 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
/v }`l 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
z:O8Ls^\T 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
4-w{BZuS 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
!-bB559Nv 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
okXl8&mi 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
]:;&1h3'7 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
jPeYmv] 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
x-c"%Z| 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
M|-)GvR$J 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
nN;u,}e 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
}]TxlSp!; 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
V&i;\ 9 8 TH 16.29978150
;S{(]K7i 8 YMT 0.00000000 !YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
6@f-Glwg 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
E`q_bn END !以END结束
'qi}|I 6*?F @D2& 在CW窗口中输入:SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性:
E7hhew
)jj0^f1!j oU|c.mYe :N@^?q{b 由图可知,半通光孔径为17.5mm,半视场角为7°,后
焦距约16.3mm,元件总长约50mm,F数为1.4286。
V~bD)?M 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计,新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
e!`i3KYn" |{;G2G1[ 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
)"LJ
hLg 点击PAD图中的图标
,选择玻璃表‘Guangming’,然后点击‘Graph’按钮,并选择下图中的选项:
@x1-!
~z# c,22*.V/ +p^u^a 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型,分别为D-FK61,G-ZF52,H-ZF88,H-F51。
<#.g=ay tkhCw/ 5f /`Q 接下来,使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里,我们需要注意的是:首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型,用于红外
系统。
e)ZUO_Q$ 为什么要这么做呢?原因是:如果在DSEARCH中无指定玻璃类型,那么透镜都被赋予一个玻璃模型(该玻璃模型用于可见光系统)。而对于红外系统,透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
+(*DT9s+ DSEARCH输入如下: a?.=V CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
_wcNgFx TIME !计算程序运行时间
H]!"Zq k DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
&zhAh1m SYSTEM !透镜系统输入
GfG|&VNlz ID NIR EXAMPLE !镜头标识
!BI;C(,RL OBB 0 7 17.5 !定义物体类型,无限远物体,半视场角7°,半孔径17.5mm
O f#: WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
Qd6F H2Pl UNITS MM !透镜单位为毫米
"L1Zi.) END !以END结束,与SYSTEM呼应
DJir { \F ;=@0'xPEa- GOALS !目标设置
7rA;3?p) ELEMENTS 5 !元件数为5
*H122njH+T FNUM 1.428 !F数为1.428
h~26WLf. BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
Wm|lSisY TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
t
Pf40`@ STOP FIRST !光阑面为表面1
6RM/GM STOP FIX !光阑面固定
1cGmg1U; NPASS 100 !程序
优化次数为100
yNc2@ ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
$N\Ja*g RSTART 300 !起始半径为300mm
.2pK.$. TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
7|D +Ihy; QUICK 50 90 !启用快速模式;迭代50次执行快速搜索,然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置);
-+5>|N# FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
xpI wrJO FWT 2 1 1 !相应的视场权重
:jx4{V GLASS POS !正透镜玻璃类型
&R siVBA G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
V:27)]q GLASS NEG !负透镜玻璃类型
4=.so~9odX G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
RyN s6 END !以END结束,与GOALS呼应
fatf*}eln Bf:Q2slqI SPECIAL AANT !特殊像差控制;系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
a>)f=uS ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
i&k7-< ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
a6H%5N ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
-DCbko ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
qVPeB,kIz END !以END结束,与AANT呼应
{|\.i GO !启动程序
+)?J#g TIME !计算时间
?}7p"3j'z ,
dp0;nkr 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构,评价函数最低,如图2所示:
0g\(+Qg^ X(C$@N 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下:
I l.K"ll b[7]F v3qA":(w+(
80;(Gt@<" =mGez )T5\
相应的局部放大镜头结构
Wl Sm DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
njw|JnDv PANT
4 OX^( VLIST RD ALL
>3_Gw4S*H VLIST TH ALL
B?qjkP END
i?~3*#IpD AANT P
}75e:w[ AEC
pmilrZmm] ACC
rbpSg7}Q GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
9/7u*>: GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
iX\X>W$P GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
|CzSU1ma M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
!a<ng&H^U M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
]~nKK@Rw ACC 10 .1 1
Lp7SLkwh3M ACM 3 .1 1
LDD|(KLR*. ACA
7)k\{&+P ASC
Y<rU#Z #T END
]7mt[2Cd SNAP 0/DAMP 1.00000
4e1Y/
Xq` SYNOPSYS 100
]tDDq=+v
接下来,使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 h}EPnC}
GSEARCH输入如下: Lk$B{2^n
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 +{UcspqM
GSEARCH 3 QUIET LOG -]=@s
L:8q8i
SURF m_l[MG\
1 3 5 7 9 ! 将玻璃分配到表面1,表面3,表面5,表面7和表面9 rt|7h>RQ
END ukY"+&
7!$^r$t
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; 6DWgl$[[
NAMES !玻璃名称 #V}IvQl|
G G-ZF52 |&[EZ+[
G D-FK61 =>dGL|
G H-ZF88 !3v1bGk
G H-F51 \_U$"/$4VH
END !以END结束 N&V`K0FU
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 [=_jYzD,j|
GO !启动程序
4,0{7MLgK 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
xp9pl[l 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
-
CWywuD 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
&=k,?TJO> KK%M~Y+tU' W"3ph6[eW