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
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}rx( 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:
)fT0FLl|1
图1 近红外镜头初始设计
$- Z/UHT wz'in 接着,我们检查该近红外镜头的设计
参数,仅在CW窗口中输入:SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下:
O_SM! !, RLE !读取镜头
D>wo>,G ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 !镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
?H!X
p FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
Ga* LOG 3119 !日志编码
LGCeYXic WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 Lr>4~1:` APS 4 !定义光阑面为表面4
KkHlMwv NOVIG !关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线,不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
L\<J|87p? UNITS MM !
透镜单位为毫米
nm,Tng
oj OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 !无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR !物面处于空气中
;Y &2G' 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
y|.dM.9V 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
TF,a`?c` 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
k.F(*kh 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
klj.\wg/p{ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
lU3Xd_v
O 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
VqB9^qJ]! 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
_lk5\bu 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
K;f=l5 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 !ZNS材料的折射率温度系数
&-Z#+>=H( 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
7.v{ =UP 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
D_cd
l^ 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
@]{:juD~ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
(WS<6j[q 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
t== a(e 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
h1?.x 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
O$peCv 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
pvd9wKz 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
IRDD
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
]GHx<5Q:\ 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
gq?~*4H 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
n!XSB7d~X 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
>qIZ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
X1h*.reFAL 8 TH 16.29978150
fm,:8% 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
qS2]|7q?Tc 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
@Cd}1OT) END !以END结束
]G2%VKkr v&ZI<Xt+ 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:
GEf[k OQ d`Em)3v
QWxl$%`89< 6NqLo^ "g 由图可知,半通光孔径为17.5mm,半视场角为7°,后
焦距约16.3mm,元件总长约50mm,F数为1.4286。
k+&1?] 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计,新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
CU(W0D
gIXc-=Ut 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
FUTDR-q O 点击PAD图中的图标 ,选择玻璃表‘Guangming’,然后点击‘Graph’按钮,并选择下图中的选项:
()i!Uo su]ywVoRT
ma4r/8Q 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型,分别为D-FK61,G-ZF52,H-ZF88,H-F51。
\ \~4$Ai[ x@>^ c:-f
*C?x\.\C 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。
a'|Dm7'4t 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。
_`Sz}Yk DSEARCH输入如下: h?:Y\DlU' CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
/2!"_?<L TIME !计算程序运行时间
4.mbW DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
TS<uBX SYSTEM !透镜系统输入
cM'5m ID NIR EXAMPLE !镜头标识
T)B1V,2j= 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
*:A)j?( WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
QWGFXy,=1 UNITS MM !透镜单位为毫米
eDSBs3k7H END !以END结束,与SYSTEM呼应
%z0@4Gq +nslS:( GOALS !目标设置
aw:0R=S,> ELEMENTS 5 !元件数为5
Wh>Y_ k FNUM 1.428 !F数为1.428
p{Gg,.f!HM BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
Rx=pk TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
( Dl68]FX STOP FIRST !光阑面为表面1
62LQUl]< STOP FIX !光阑面固定
uy;3s=03^ NPASS 100 !程序
优化次数为100
Vkb&'
rXw+ ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
K\ \UF RSTART 300 !起始半径为300mm
/_554q TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
fJC,ubP[5 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);
w65
$ R FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
AH],>i3 FWT 2 1 1 !相应的视场权重
T;< >"" T GLASS POS !正透镜玻璃类型
'[#uf/~W G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
4.dMNqU GLASS NEG !负透镜玻璃类型
t(MlZ>H G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
&WHEP dD END !以END结束,与GOALS呼应
=;$&:Zjy/% ;mb
6i_ SPECIAL AANT !特殊像差控制;系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
Z
[5HI; ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
fwQ%mU+ ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
#zt+U^#) ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
tI C_/
6 ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
i,,>@R END !以END结束,与AANT呼应
Dx[t?- GO !启动程序
es(vWf' TIME !计算时间
+T^m &/, BFx" 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构,评价函数最低,如图2所示:
aV(*BE/@F q#Qr@Jf
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下:
[*>@hx {+t'XkA
*qBMt[a
knBT(x'+
a}c(#ZLs
相应的局部放大镜头结构
T+4Musu{V DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
4!gyFi6$ PANT
nw5#/5xw VLIST RD ALL
dYV)lMJ* VLIST TH ALL
e:V,>RbC0s END
$@&bK2@.( AANT P
=C\S6bF% AEC
:({lXGc}4? ACC
I(
y
Wct GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
Hab9~v ] GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
G%kXr$?W GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
sX_ ^H%fd M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
`g :<$3} M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
l2`8]Qr ACC 10 .1 1
d)o<R;F ACM 3 .1 1
rjR ACA
a*IJ)'S ASC
?n@PZL= ] END
E>6zwp SNAP 0/DAMP 1.00000
v*BA\& SYNOPSYS 100
nC&rQQFF
接下来,使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 QX]tD4OH
GSEARCH输入如下: 3P\I;xM
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 :6M0`V;L
GSEARCH 3 QUIET LOG ga~vQ7I_
'b^:"\t'Rh
SURF 1k/l7&n"
1 3 5 7 9 ! 将玻璃分配到表面1,表面3,表面5,表面7和表面9
y?unI~4tC
END -owfuS?i=
;5% &q6&a
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; =0]Mc$Ih
NAMES !玻璃名称 YHRI U Yd
G G-ZF52 eO9nn9lql
G D-FK61 [a
|fm*B!
G H-ZF88 F#<PFT4i
G H-F51 ~!nd'{{9
END !以END结束 .N+xpxdG,
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 /Bwea];^Q
GO !启动程序
fVN}7PH7+ 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
'
R@<4Ib| 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
(7wR*vO^ 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
AeJM[fCMa 1Ev+':%
RYhdf