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
.CdaOWM7 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:
)k01K,%#) 图1 近红外镜头初始设计
<9 lZ%j; 5%"${ywI 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:
G3n* bv RLE !读取镜头
CZRrb 84 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)
lA { FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
C=(-oI n
LOG 3119 !日志编码
]vJZ v"ACn WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 rGuhYYvK APS 4 !定义光阑面为表面4
D.Rk{0se8 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
3#huC=zbf UNITS MM !
透镜单位为毫米
QW#]i 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
Cbm 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
jT"P$0sJAd 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
;ZXP*M9 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
^I3cU'X 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
8T92;.~( 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
In^MZ)? 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
Yh_H$uW 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
l%\3'N] 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
Cj%SW <v| 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
GHj1G,L@\ 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
o6sL~*hQ 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
9C}Ie$\ 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
vpXC5|9U 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
g]85[xz 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
u':-DgK 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
`bu3S}m7 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
_6" vPN 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
~R/w~Kc!/A 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
,/6V ^K 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
'EU{%\qM 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
;tTM3W-h 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
Ze~$by|9f 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
44FK%TmtF 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
I2kqA5>)j 8 TH 16.29978150
Q1EY!AV8 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
[:sP Z{ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
&;L4Cj$q END !以END结束
loN!&YceW ='u'/g$'& 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:
f gI.q
c_clpMx= {`QF(WL hnZI{2XzBE 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。
!iUdej^tx 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。
7iu?Q zrk/}b0j 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
qd{o64;| 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:
/]%,C
VaC#9Tp2X ZiM#g1; 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。
& tQHxiDX
nV 38Mj2U '&Ox,i]t 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。
G}ElQD 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。
1<A+.W DSEARCH输入如下: 9\3% 5B7 CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
g!~&PT)* TIME !计算程序运行时间
2n+j. DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
.vNfbYH( SYSTEM !透镜系统输入
{YZ)IaqZ ID NIR EXAMPLE !镜头标识
Q>7#</i\. 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
hKtOh WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
b0X*+q UNITS MM !透镜单位为毫米
:Q2\3 END !以END结束,与SYSTEM呼应
Z)'jn8?P @iB**zR/ GOALS !目标设置
Na: M1Uhb ELEMENTS 5 !元件数为5
_/ j44q FNUM 1.428 !F数为1.428
eHK}U+"\ BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
FW#Lf]FJ TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
(ii 5p nq STOP FIRST !光阑面为表面1
dgd&ymRm
: STOP FIX !光阑面固定
v}A] R9TY NPASS 100 !程序
优化次数为100
B)
&BqZ& ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
qM3^)U2 RSTART 300 !起始半径为300mm
U#G
uB&V TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
qTC`[l 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);
DamLkkoA
FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
I'"*#QOX FWT 2 1 1 !相应的视场权重
RL~|Kr<7J GLASS POS !正透镜玻璃类型
QI~s~j G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
WzgzI/ GLASS NEG !负透镜玻璃类型
deaxb8'7 G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
B;4hI? END !以END结束,与GOALS呼应
Z]$yuM :eS7"EG{3 SPECIAL AANT !特殊像差控制;系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
n-,~Bp
[ ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
3Zsqx=w ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
/r@P\_ ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
]=9%fA ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
GEA@AD=^f END !以END结束,与AANT呼应
pX6T7 GO !启动程序
OW)8Z60 TIME !计算时间
,qiS;2( W~W^$A 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:
Ec_
G9&
*bn9j>|iv 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:
<S
$Z
fouy?? S7aS Ut!
PZLW yp AEPgQ9#E
相应的局部放大镜头结构
""Drf=] DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
}y|%wym PANT
XT>e/x9' VLIST RD ALL
BOL_kp" VLIST TH ALL
8i-?\VZD END
Q
C~~ AANT P
rC_K
L AEC
:KX/` ACC
1Od:I}@ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
P_-zkw GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
ddnWr"_ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
HxZ4t M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
q>Px M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
>z^T~@m7l ACC 10 .1 1
dUb(C1h ACM 3 .1 1
6ap,XFRMh ACA
Z|8f7@k{|+ ASC
\vQ_:-A END
lS?f?n^ SNAP 0/DAMP 1.00000
`9K'I-hv<8 SYNOPSYS 100
/f%u_ 8pV%
接下来,使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 `R:<(:
GSEARCH输入如下: W:rzfO.`Z
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 NPB':r-8
GSEARCH 3 QUIET LOG zztW7MG2lQ
"a,Tc2xk
SURF `
|]6<<'iW
1 3 5 7 9 ! 将玻璃分配到表面1,表面3,表面5,表面7和表面9 VKik8)/.
END =PZs'K
r4D66tF
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; /%xK-z,V
NAMES !玻璃名称 t9K.Jc0
G G-ZF52 <5$= Ta
G D-FK61 <mm}IdH
G H-ZF88 Ab_aB+g ]
G H-F51 FswFY7
8
END !以END结束 "9WP^[
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 x<ENN>mW1
GO !启动程序
Zfb:>J@h6 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
YRYrR|I 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
'rR\H2b
在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
G^2"\4R]p
1H[lf
B yv'rJI~ Ps