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
"H{#ib_c_ 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:
w$Mb+b$ 图1 近红外镜头初始设计
n4zns,:)/ *gI9CVfQl 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:
FFH{#|_1 RLE !读取镜头
ezd@>(hJ 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)
lqKwjJtX FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
]o_E]5"jO LOG 3119 !日志编码
B^hK WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 *1}vn%wvn APS 4 !定义光阑面为表面4
Vb2")+*: 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
6:\z8fYD UNITS MM !
透镜单位为毫米
98WJ"f_ # 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
B^1 Io9 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
F,XJGD* 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
g:"Hg-s 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
? oGmGKq 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
4_S%K& 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
c{f1_qXN 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
(yz8}L3 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
`RE1q)o}8M 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
.T*7nw 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
!?)iP 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
<lLk(fC 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
J15$P8J 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
?/ s=E+ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
E9[8th,t 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
F~O!J@4] 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
dnTXx*I: 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
YCQ+9 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
]9pcDZB 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
=j~}];I 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
Th*mm3D6 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
|zL .PS 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
|&%l @X6 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
{EupB? 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
~9ILN~91 8 TH 16.29978150
r,dxW5v. 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
}(XvI^K[^ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
b;Im +9& END !以END结束
3'2}F%!Mv L9U<E $%# 在CW窗口中输入:SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性:
) uyh
9/|i.2& ]j:Ikb} yQ8H-a. 由图可知,半通光孔径为17.5mm,半视场角为7°,后
焦距约16.3mm,元件总长约50mm,F数为1.4286。
PZl(S}VY 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计,新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
)+9D$m=P; 9P)<CD0 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
)u&_}6z 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:
ss3fq}
Z_Ma|V?6 {1YT a:evl 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。
D 2Go,1
z:R2Wksg &f qmO>M 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。
YKvFZH) 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。
_?_Svx2 DSEARCH输入如下: RN:#+S(8 CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
U>x2'B v TIME !计算程序运行时间
z_l3=7R DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
z(orA} [ SYSTEM !透镜系统输入
JnY3] ID NIR EXAMPLE !镜头标识
JT^E`<nn 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
)x|BY> WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
7<^D7 UNITS MM !透镜单位为毫米
Azz]TO END !以END结束,与SYSTEM呼应
PvT8XSlTx! M7Hk54U+t GOALS !目标设置
|H_)u ELEMENTS 5 !元件数为5
(\/HGxv FNUM 1.428 !F数为1.428
@7^#_772 BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
8rp-XiW TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
pmW=l/6+V3 STOP FIRST !光阑面为表面1
Nyqm0C6m^ STOP FIX !光阑面固定
ZJ[ Uz_%W NPASS 100 !程序
优化次数为100
EShakV ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
g&E_|}u4 RSTART 300 !起始半径为300mm
AYZds >#Q TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
=OZ_\vO 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);
NxX1_d FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
wD,F=O FWT 2 1 1 !相应的视场权重
j'J*QK&Q GLASS POS !正透镜玻璃类型
MM8)yCI G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
wbS++cF< GLASS NEG !负透镜玻璃类型
a@jP^VVk G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
!Z'm@,+ END !以END结束,与GOALS呼应
M7>\Qk Csc2 yI%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)
,6buo~?W: ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
GKd>AP_ ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
`(a^=e5 ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
^ KjqS\< ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
G<dXJ ]\\ END !以END结束,与AANT呼应
sk3;;<H GO !启动程序
!aEp88u TIME !计算时间
1a!h&!$9 7=AKQ7BB>b 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构,评价函数最低,如图2所示:
?3Fo:Z`@F
8Z!ea3kAT 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下:
_/=ZkI5
E0pQRGPA |5/[0V-vy
:ZIcWIV- (os7Q?
相应的局部放大镜头结构
KE3v3g< DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
^,5.vfES PANT
an2Tc*=~l( VLIST RD ALL
Mvh_>-i VLIST TH ALL
4>E2G: END
By_Ui6:D AANT P
[Bh]\I' AEC
Z7/dRc
ACC
YBO53S]= GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
!jW32$YTR GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
E)E! GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
;~bn@T- M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
I{PN6bn{> M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
>8tuLd*T ACC 10 .1 1
u@EM,o ACM 3 .1 1
VfwD{+5 ACA
$g};u[y ASC
y{]%, END
A!kyga6F5 SNAP 0/DAMP 1.00000
|Q;o538 SYNOPSYS 100
]>L]?Rm
接下来,使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 ;Z_C3/b
GSEARCH输入如下: ]`XuE-Uh
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 hrD6r=JT<~
GSEARCH 3 QUIET LOG v^pP&
<G
*La =7y:
SURF ^IpiNY/%Q
1 3 5 7 9 ! 将玻璃分配到表面1,表面3,表面5,表面7和表面9 9F](%/
END k
I~]u
kk'w@Sn.(
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; 0mh8.
NAMES !玻璃名称 uLM_KZ
G G-ZF52 sriz
b
G D-FK61 srLr~^$j[
G H-ZF88 /8>/"Z2S
G H-F51 MGzF+ln^U
END !以END结束 n y)P
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 )''wu\7A)'
GO !启动程序
'>Y
2lqa 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
{ NJ>[mKg 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
|q2lTbJ 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
bl?%:qb.V
k#JG N{t:%[