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
--~m{qmy 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:
V`n;W6Q17
图1 近红外镜头初始设计
Zy -&g: ^lP_{c 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:
wM^_pah#Y5 RLE !读取镜头
{c3u!}mW 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)
;bZIj`D( FNAME '1.RLE ' !指定文件名为1.RLE
DM-8azq $ LOG 3119 !日志编码
7sQw&yUL) WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 !定义三个近红外
波长 \rw/d5. APS 4 !定义光阑面为表面4
p:hzLat~ 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
B~/LAD_ UNITS MM !
透镜单位为毫米
ww]^H$In 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
r*'X ]q|L+ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 !表面1的半径,厚度
C XQPbt[5 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*;}6 bj|? 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
f|*vWHSM 1 CTE 0.650000E-05 !玻璃材料ZNS的热膨胀系数
6PS #Zydb 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS,U-Unusual玻璃库
tp3>aNj 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
-,;Iob56! 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 !表面3的半径,厚度
~9:ILCfX 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
*hHy>(* 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
x=>+.'K 3 CTE 0.650000E-05 !ZNS材料的热膨胀系数
6T}bD[h4? 3 GID 'ZNS ' !表面3的玻璃类型为ZNS
_d$0( 3 PIN 1 !表面3拾取表面1的折射率
uF!3a$4] 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
hm%'k~ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 !表面5的半径,厚度
r~sx]=/ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 !玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
r3@Q(Rb 5 GTB U 'AS2S3 ' !玻璃类型为AS2S3,U-玻璃库Unusual
j;tT SNF 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
+P7A`{Ae 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 !表面7的半径,厚度
3sk$B%a>Z 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
4DVkycM 7 CTE 0.650000E-05 !玻璃类型ZNS的热膨胀系数
xb!h?F& 7 GID 'ZNS ' !玻璃类型为ZNS
<bwsK,C 7 PIN 1 !表面7拾取表面1的折射率
iI[Z|"a 21 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR !表面8在空气中的半径和厚度
S^GB\uJ 8 TH 16.29978150
>A$J5B>d 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
H<M
ggs- 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR !表面9的曲率,厚度
,t+5(qi END !以END结束
l_lm)'ag ?I` BbT} 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:
rx*1S/\PPc )
0x*>;"o
fb5]eec yJaQcGxE" 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。
nb:J" 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。
<ByR!Y =?`5n|A* 关键问题是:如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢?
.wrNRU7s 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:
O jkbv PMJe6*(x/
8@)/a 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。
w#Y<~W& ;SzOa7
27-<q5q 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。
/3*75 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。
Mj&f7IUO DSEARCH输入如下: /;M0tP CORE 4 !核心数为4,DSEARCH支持多核并行计算
R|T_9/#) TIME !计算程序运行时间
%C=
{\]-2~ DSEARCH 3 QUIET !最好透镜保存在透镜库位置3,并显示在PAD图中
jfyV9) SYSTEM !透镜系统输入
td@F%* ID NIR EXAMPLE !镜头标识
Y8I$JBO OBB 0 7 17.5 !定义物体类型,无限远物体,半视场角7°,半孔径17.5mm
% Ke:%##Y WAVL 1.97 1.53 1.06 !定义三个近红外波长
@WX]K0$; UNITS MM !透镜单位为毫米
X6mY#T'fQ END !以END结束,与SYSTEM呼应
l1~>{:mq 1\7SiQ- GOALS !目标设置
W:uIG-y~ ELEMENTS 5 !元件数为5
slEsSR'J] FNUM 1.428 !F数为1.428
G 3P3 BACK 16 .1 !后焦距为16mm,权重为0.1
ZpPm>|w TOTL 50 .1 !系统总长为50mm,权重为0.1
Sd.i1w& STOP FIRST !光阑面为表面1
m :ROq STOP FIX !光阑面固定
/vFw5KUu NPASS 100 !程序
优化次数为100
tvptawA. ANNEAL 200 20 100 !
模拟退火,200-起始温度,20-冷却速率,100-优化次数
h3issi+N RSTART 300 !起始半径为300mm
?lzg )88I TSTART 1 !每个元件起始厚度为1mm
EA4aZ6% 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);
`j088<?j FOV 0 .5 1 !0视场、0.5视场、全视场
Vtm5&- FWT 2 1 1 !相应的视场权重
WKZ9i2hcdf GLASS POS !正透镜玻璃类型
3OV#H% G D-FK61 !玻璃类型为D-FK61
^3QHB1I GLASS NEG !负透镜玻璃类型
VrhG=CK G H-ZF88 !玻璃类型为H-ZF88
'$~9~90?Z END !以END结束,与GOALS呼应
EI2V<v -^8gZk/(W SPECIAL AANT !特殊像差控制;系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
>?yaG= ACC 10 .1 1 !控制元件中心厚度不超过10mm,权重0.1,窗口1;
/4j'?hB<g ACM 3 .1 1 !控制中心厚度不小于3mm,防止元件厚度太薄;
E7+y
W ACA !自动控制临界角,防止光线超过临界角,导致光线失败
Z>Nr"7k ASC !自动控制所有镜头的倾斜度
7t\W{y END !以END结束,与AANT呼应
pYJv|`+ GO !启动程序
8^ ;[c TIME !计算时间
3|RfX :{C#<g` 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构,评价函数最低,如图2所示:
_s!(9 @*L^Jgn
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下:
DY?`Y%" w-[WJ:2.
38Lc|w
w:Fes
+o)S.a+7
相应的局部放大镜头结构
<FmrYwt DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT,将其改成NIR.OPT。
W,YzD&f=uS PANT
F<X)eO]tk VLIST RD ALL
!l@IG C VLIST TH ALL
DqrS5!C END
NFPW#-TF AANT P
lRnst-inlI AEC
q~.\NKc ACC
A\lnH5A GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
|~k=:sSz{ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
URmx8=q GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
_S/bwPj|~y M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
x;lIw)Ti M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
mkTf}[O ACC 10 .1 1
W'rft@J$ ACM 3 .1 1
|vA3+kG ACA
gSK
(BP| ASC
k&ujr:)5Y5 END
X1!m]s(I SNAP 0/DAMP 1.00000
N%/Qc hu SYNOPSYS 100
l%.3hId-
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。 \dCoY0Z ;
GSEARCH输入如下: /K<Xr[z~y
CORE 4 !核心数为4,GSEARCH支持多核并行计算 m C_v!nL.
GSEARCH 3 QUIET LOG 4VSIE"8e
ry3;60E\)
SURF :gVz}/C.@
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 #Qc[W +%
END ,g@U*06
vLJ<_&6
OFILE 'NIR.OPT.MAC' !打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’; 8vz9o <I
NAMES !玻璃名称 8 wQV^G
G G-ZF52 C78YHjy
G D-FK61 `,tv&siSA
G H-ZF88 ()v[@"J
G H-F51 /A[AHJ<[?
END !以END结束 `;*%5WD%
USE 2 !至少使用两种不同的玻璃类型 I<z
/Y?
GO !启动程序
Wk$[;>NU3 运行GSEARCH命令后,近红外镜头结构得到改善,如图3所示:
-4Zf0r1u 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
]IXKoJUf 在CW中输入指令SPEC,得到近红外镜头的特性:
#* j 6GMQgTY^
9s6, &'