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
A] 9JbNV 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:
S+G)&<a^ 图1 近红外镜头初始设计
{1%ZyY MDPM OA 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:
mmL~`i/ RLE !读取镜头
<3}l8Z 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)
Wwha?W> FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
*F*X_O LOG 3119 !日志编码
xW =$j| WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 ([*t. APS 4 !定义光阑面为表面4
Ji[g@# NOVIG !关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线,不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
zIFL?8!H9{ UNITS MM !
透镜单位为毫米
(Y)h+}n5N OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 !无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR !物面处于空气中
%#9 ~V 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
PNgMLQI6 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 !玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
GJs[m~`8# 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
fJ2{w[ne 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
%Be[DLtE" 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
sV[Z|$&Z 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
5-HJ&Q 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
lM*O+k 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
rj~ian 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
ssITe.,ny 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
e0HP~&BRs 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
:, [!8QP 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
?w/nZQWi 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
z|*6fFE 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
3 ?F@jEQk 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
"v!HKnDT 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
gc3 U/
jM 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
~q(C j"7 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
0t?<6-3`/ 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
9Fx z!-9m 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
t[,T}BCy. 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
MIF[u:& 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
#.+*G`m 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
jA4v?(AO}# 8 TH 16.29978150
b^DV9mO4J 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
G@EjWZQ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
8M+F!1-# END !以END结束
_np>({ zl
0^EltiU 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:
up3<=u{>
<S@mQJS!y HcVs(]tIW B4Af 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。
,
)pt_"-XA 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。
k`mrRs B9)qv>m 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
36WzFq# 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%?D E@k
a~>0JmM+N #'Y6UGJ\n 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。
'Oy5G7^R
:$Q]U2$mPS mRnzP[7-\) 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。
F"f}vl 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。
k=~pA iRDN DSEARCH输入如下: wQrPS CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
Y1_6\zpA TIME !计算程序运行时间
h8= MVh(I DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
~K#_'Ldrd SYSTEM !透镜系统输入
\3(|c#c ID NIR EXAMPLE !镜头标识
?CW^*So 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
qMdtJ(gq WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
t2%@py*bU UNITS MM !透镜单位为毫米
_KhEwd END !以END结束,与SYSTEM呼应
'j<:FUDJ ^_S-s\DW GOALS !目标设置
f+aS2k(e> ELEMENTS 5 !元件数为5
fRa-bqQ FNUM 1.428 !F数为1.428
{S" BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
'"fU2M<. TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
?]:EmP STOP FIRST !光阑面为表面1
awSS..g}L STOP FIX !光阑面固定
\%?8jQ'tX NPASS 100 !程序
优化次数为100
t k/K0u ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
!_z<W~t" RSTART 300 !起始半径为300mm
@1SKgbt> TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
i&'^9"Z)O 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);
J%-lw{FC FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
<
J<;?%] FWT 2 1 1 !相应的视场权重
uZ`d&CEh GLASS POS !正透镜玻璃类型
"K$ Wh1<7 G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
8&A|)ur4 GLASS NEG !负透镜玻璃类型
G5nj,$F+ G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
:*&9TNUE@ END !以END结束,与GOALS呼应
>?{iv1
k E#_Pc SPECIAL AANT !特殊像差控制;系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
PxVI{:Uz ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
;GgQ@s@ ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
Jyz$&jqyr' ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
x [{q&N!"` ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
mA] 84zO END !以END结束,与AANT呼应
>gZk
581/ GO !启动程序
Fb{`a[& TIME !计算时间
"J[i=~( id#k!*$7 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:
7ru9dg1?
e"s {_V 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:
mp+\!
lgjoF_D qvfAG 0p
#SihedWi {?>bblw/d
相应的局部放大镜头结构
$YGIN7_Gg DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
5Ckk5b PANT
5nxS+`Pn.) VLIST RD ALL
;/)Mcx] n VLIST TH ALL
),y!<\oQ END
bUAR<R'E AANT P
u5{5ts+: AEC
10l1a4 ACC
X~)V )'R GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
uRB)g GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
/VmCN]2AZ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
/,uSCITD M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
#EQx M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
gSv[4,hXd ACC 10 .1 1
;oY(I7 ACM 3 .1 1
Z*)y.i ` ACA
74}eF)(me ASC
1hMX(N&| END
p'%: M SNAP 0/DAMP 1.00000
0,~6TV<K SYNOPSYS 100
n$OE~YwP{
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。 /50g3?X,
GSEARCH输入如下: l#5~t|\
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 _,Rsl$Tk'
GSEARCH 3 QUIET LOG !}L~@[v,uL
S`W'G&bCj
SURF VT5cxB<
1 3 5 7 9 ! 将玻璃分配到表面1,表面3,表面5,表面7和表面9 #A|D\IhF
END iBtjd`V*
fOK+DT~
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; e$ XY\{
NAMES !玻璃名称 !0!U01SWa
G G-ZF52 MR?*GI's
G D-FK61 'Ffy8z{&3
G H-ZF88 ySixYt
G H-F51 #4P3xa
END !以END结束 KTLbqSS\
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 ?2?S[\@`0U
GO !启动程序
]M+VSU 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
zldfRo\wl 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Bg 7j5 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
,TKs/-_?
tL={ y* 't0+:o">: