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
/Z2*>7HM8[ 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:
w5|@vB/pj 图1 近红外镜头初始设计
DvOg|XUU0 L6 _Sc-sU 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:
;;nmF# RLE !读取镜头
RB &s$6A 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)
2~J|x+
FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
H8\{GGg LOG 3119 !日志编码
$ @1&G~x WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 Z,iklB- APS 4 !定义光阑面为表面4
+#B%Y K|LR 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
+Z;0"'K'e UNITS MM !
透镜单位为毫米
ZN4&:9M 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
?N|PgNu X 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
7gQt
k 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
~o #
NOfYi 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
{Z?!*Ow 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
V|a59[y? 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
~Q%QA._R? 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
H`io|~Q 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
hcf>J6ZLT 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
[6|8Gx: 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
y4?>5{`W 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
wK\SeX 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
q?0goL 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
M]_vb,=1 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
15s?QSKj 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
9QX{b+}"e 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
A23 Z)` 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
E;|\?> 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
G:&Q)_ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
WYzY#-j 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
%vThbP#mR| 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
/KV@Ce\ 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
jS- QTG!= 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
^al
SyJ` 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
&WRoNc 8 TH 16.29978150
eb8_guZ 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
TX+t
9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
e| l?NXRX END !以END结束
{U<htl4 ~,guw7F 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:
02+^rqIx5 Rd!.8K[ $fn^i. $N
]P#g?Q 由图可知,半通光孔径为17.5mm,半视场角为7°,后
焦距约16.3mm,元件总长约50mm,F数为1.4286。
[a
Z)*L
; 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计,新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
QMsnfG v m$v[ 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
M<L<mP} 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:
Bh.'%[', v|'N|k l W>Kwl*Cis" 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 tO0+~Wm )-
\w 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。
gbh:Y}_FU 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。
}v!6BU6<Q DSEARCH输入如下: ";xEuX CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
+Q9HsfX/ TIME !计算程序运行时间
?t"PawBWE DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
bpILiC SYSTEM !透镜系统输入
7/yd@#$X ID NIR EXAMPLE !镜头标识
INT2i8oU OBB 0 7 17.5 !定义物体类型,无限远物体,半视场角7°,半孔径17.5mm
u`~{:V WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
sg y UNITS MM !透镜单位为毫米
JQCwI`%i END !以END结束,与SYSTEM呼应
g\Zk*5( h^c'L=dR GOALS !目标设置
PLyu1{1"z ELEMENTS 5 !元件数为5
1W8W/Y=hT FNUM 1.428 !F数为1.428
|q>Mw-= BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
u rOG Oa$ TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
[4t KJ+v STOP FIRST !光阑面为表面1
S ] &->5" STOP FIX !光阑面固定
u0e#iX NPASS 100 !程序
优化次数为100
.s?OKy ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
mc=*wr$ RSTART 300 !起始半径为300mm
?x0yiV~dL TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
V Y3{1Dlf 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);
]3,0
8JW= FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
q ha1b$ FWT 2 1 1 !相应的视场权重
2I<T<hFW] GLASS POS !正透镜玻璃类型
g}-Z]2(c# G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
Z^l!y5s/H GLASS NEG !负透镜玻璃类型
&1{k^>oz G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
cn0Fz"d END !以END结束,与GOALS呼应
Y Pc< SDwSlwf 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)
z,)sS<t( ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
,Aii>D] ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
U!5*V9T~J ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
\_E.%K ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
-Tx tX8v END !以END结束,与AANT呼应
=1VH5pVr} GO !启动程序
*
2%e.d3"M TIME !计算时间
u2<h<}Y yh:,[<q 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:
l/^-:RRNKi MDPM OA 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:
mmL~`i/ clw91yrQn f zO8by
O| ]Ped9 HH?*"cKF~
相应的局部放大镜头结构
to 6Q90( DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
DeA'D| PANT
[R> VLIST RD ALL
ntV>m*^ VLIST TH ALL
j!\0Fyr END
@W8}N|jek AANT P
?<'W~Rm6n AEC
RH Vv}N0 ACC
[r8 d+ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
sV[Z|$&Z GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
5-HJ&Q GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
lM*O+k M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
4d
G- M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
"}p?pF<'0 ACC 10 .1 1
e0HP~&BRs ACM 3 .1 1
:, [!8QP ACA
+3>/,w(x ASC
; ZV^e END
3 ?F@jEQk SNAP 0/DAMP 1.00000
"v!HKnDT SYNOPSYS 100
gc3 U/
jM
接下来,使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 f+Me dc~
GSEARCH输入如下: {K4t8T]
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 tQ
JH'YV
GSEARCH 3 QUIET LOG ~#_$?_/(
HF+fk*_Q
SURF gsWlTI
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 3b@1Zahz
END )]>
'7] i
So%1RY{)
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; a=.db&;vY
NAMES !玻璃名称 n "KJB
G G-ZF52 !a(qqZ|s
G D-FK61 *9Js:z7I
G H-ZF88 9~'Ip7X,!
G H-F51 5qQ(V)ah
END !以END结束 n UCk0:{
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 -^Km}9g
GO !启动程序
b[o"Uq@8? 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
|uwteG5?$s 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
`Mn{bd 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
X /,1] GdeR#%z #'Y6UGJ\n