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    [原创]SYNOPSYS代码详解-近红外镜头设计 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-02-21
    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
    {?"X\5n0  
    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:
    z, FPhbFn  
    图1 近红外镜头初始设计
    IZ87Px>zL  
    9+/D\|"{  
    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: |g HdTb1  
      RLE                                                         !读取镜头 ,_s.amL3O{  
      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) @Ae&1O;Zh  
      FNAME '1.RLE  '                                    !指定文件名为1.RLE _!Pi+l4p/}  
      LOG     3119                                            !日志编码 J8ScKMUN2  
      WAVL 1.970100 1.529600 1.060000      !定义三个近红外波长 Cl3L)  
      APS               4                                         !定义光阑面为表面4 t=|}?lN<  
      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 _~*j=XRs  
      UNITS MM                !透镜单位为毫米 RCoDdtMo  
    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
    )rlkQ'DN  
       1 RAD     86.7200000000000   TH      4.00000000    !表面1的半径,厚度 g"kET]KP"  
       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 /I{K_G@  
       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 lY2~{Y|4s  
       1 CTE   0.650000E-05                                                   !玻璃材料ZNS的热膨胀系数 [:q J1^UU  
       1 GTB U    'ZNS '                                                           ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库 ;C=V -r  
       2 RAD    256.1600000000000   TH      1.90921550 AIR  !表面2在空气中的半径,厚度 (44L8)I.D  
       3 RAD     23.3200000000000   TH      7.64871430           !表面3的半径,厚度 *YGj^+   
       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 atw*t1)g  
       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 E7hs+Mh  
       3 CTE   0.650000E-05                                                          !ZNS材料的热膨胀系数 [9j,5d&m  
       3 GID 'ZNS  '                                                                        !表面3的玻璃类型为ZNS "5'eiYm s  
       3 PIN    1                                                                            !表面3拾取表面1的折射率 hJ8% r_  
       4 RAD     46.0900000000000   TH      1.00000000 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 .o,-a>jL  
       5 RAD     50.8000000000000   TH      3.00000000            !表面5的半径,厚度 y7+n*|H  
       5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264             !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率 9I$} =&"  
       5 GTB U    'AS2S3   '                                                          !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual fY?:SPR+  
       6 RAD     17.3870000000000   TH     28.71738800 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 2(Yg',aMY-  
       7 RAD     27.1400000000000   TH      3.50000000            !表面7的半径,厚度 )s4: &!  
       7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184             !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出 % tC[q   
       7 CTE   0.650000E-05                                                        !玻璃类型ZNS的热膨胀系数 ,?IXfJ`c  
       7 GID 'ZNS   '                                                                     !玻璃类型为ZNS ld):Am}/o  
       7 PIN    1                                                                             !表面7拾取表面1的折射率 7/_|/4&  
       8 RAD     65.2260000000000   TH     16.29978150 AIR   !表面8在空气中的半径和厚度 >j*0fb!:]  
       8 TH      16.29978150 }_}    
       8 YMT      0.00000000                                 !YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 L/,g D.h^  
       9 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR   !表面9的曲率,厚度 @<X[,Mj  
    END                                                                                 !以END结束 o|c&$)m  
    -o~n 06p  
    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: ZX.,<vumSy  
    !'IZr{Y>  
    0NU3% 4?  
    UH;bg}=8  
    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。 qJO6m-  
    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。 Ktvs*.?  
    ,\#j6R,{I  
    关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢? UV av^<_  
    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: W(?J,8>  
    #7]>ozKm  
    ?iEn~9WCS  
    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。 2 e#"JZ=  
    Z#[%JUYp'  
    G`&P|xYg  
    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 6#Y]^%?uy  
    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。 {f*{dSm9b  
    DSEARCH输入如下: fA0wQz]u  
    CORE 4                            !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算 d{) =E8wE  
    TIME                                   !计算程序运行时间 CdcB E.%<  
    DSEARCH 3  QUIET         !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中 2 n2,MB  
    SYSTEM                            !透镜系统输入 k6Vs#K7a  
    ID NIR EXAMPLE            !镜头标识 zQt)>Qx_  
    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 H!,V7R  
    WAVL 1.97 1.53 1.06          !定义三个近红外波长 YcR: _ac  
    UNITS MM                         !透镜单位为毫米 rM6S%rS  
    END                                     !以END结束,与SYSTEM呼应 ;05lwP* r]  
    M9Yov4k,4]  
    GOALS                           !目标设置 )te_ <W  
    ELEMENTS 5               !元件数为5 30(e6T;   
    FNUM 1.428                  !F数为1.428 3UZ_1nY  
    BACK 16 .1                   !后焦距为16mm,权重为0.1 a9_2b}t  
    TOTL 50 .1                    !系统总长为50mm,权重为0.1 M19 5[]  
    STOP FIRST                   !光阑面为表面1 t\!5$P  
    STOP FIX                      !光阑面固定 R$MR|  
    NPASS 100                      !程序优化次数为100 ;j(*:Nt1  
    ANNEAL 200 20 100       !模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数 ;A*sub  
    RSTART 300                    !起始半径为300mm f`\J%9U_O  
    TSTART 1                        !每个元件起始厚度为1mm mz;ExV16  
    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); Z/v )^VR  
    FOV 0 .5 1            !0视场、0.5视场、全视场 k<f0moxs'  
    FWT 2 1  1            !相应的视场权重 Do^yer~  
    GLASS POS          !正透镜玻璃类型 LW("/  
    G D-FK61            !玻璃类型为D-FK61 J4iu8_eH!D  
    GLASS NEG         !负透镜玻璃类型 |8x_Av0  
    G H-ZF88             !玻璃类型为H-ZF88 IF//bgk-  
    END                      !以END结束,与GOALS呼应 99]s/KD2yb  
     #.Ly  
    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) ANj%q9e!Yi  
    ACC 10 .1 1             !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1; Bxj4rC[  
    ACM 3 .1 1              !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄; L]BTX]  
    ACA                         !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败 !y!s/i&P%  
    ASC                          !自动控制所有镜头的倾斜度 -~lrv#5Q  
    END                         !以END结束,与AANT呼应 >Yv#t.!  
    GO                           !启动程序 ,5K&f\  
    TIME                        !计算时间 =FFs8&PKys  
    b+Vlq7Bc  
    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: 4xFAFK~lx  
    kjQI=:i=  
    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:
    9{A*[.XK]  
    =U:]x'g(  
    ~Sd,Tu%:  
    *S4&V<W>  
    T).}~i;!  
    相应的局部放大镜头结构
    `<Hc,D; p  
    DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。 }:0HM8B7!  
    PANT wc~9zh  
    VLIST RD ALL o+R(ux"  
    VLIST TH ALL pMp@W`i^6  
    END y%YP  
    AANT P G~Y#l@8M+  
    AEC X&K,,C  
    ACC O&">%aU1I  
    GSR     0.000000     2.000000      4  M     0.000000 kll ,^A  
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.500000 1'B=JyR~K  
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     1.000000 =3,Sjme  
    M   0.160000E+02  0.100000E+00 A BACK d{C8}U  
    M   0.500000E+02  0.100000E+00 A TOTL [~Z#yEiW^  
    ACC 10 .1 1 R/^;,.  
    ACM 3 .1 1   \D[~54  
    ACA           C|QJQ@bj0  
    ASC           -**fT?n  
    END [Kbna>`  
    SNAP   0/DAMP    1.00000     lPlJL`e  
    SYNOPSYS  100
    \}Pr!tk!  
    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。 )IE) a[wo  
    GSEARCH输入如下: z_z '3d.r7  
    CORE 4                                     !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 Z \ -  
    GSEARCH 3 QUIET LOG       2Ju,P_<dt  
    Pp|pH|(n ,  
    SURF                                   (fO~nN{F  
    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 8}^ym^H|j  
    END 3v<9 Z9O  
    qv/chD`C  
    OFILE 'NIR.OPT.MAC'           !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; r1$x}I#Zv  
    NAMES                                    !玻璃名称 F0Z cV>j}  
    G G-ZF52 } x'o`GuUf  
    G D-FK61 +OUM 4y  
    G H-ZF88 WxF@'kdn*,  
    G H-F51 a &R,jq  
    END                                          !以END结束 D/WzYc2h]  
    USE 2                                        !至少使用两种不同的玻璃类型 q{)Q ?E  
    GO                                             !启动程序
    lt}U,p,S  
    运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示: ,k/<Nv;  
    图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构 _LZ 442  
    在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性: Lismo#  
    It^_?oiK  
    rX&?Xi1JeV  
     
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