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
OLj\-w^ 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：
\rV
B5|D?
图1 近红外镜头初始设计
<(e8sNe 6k/U3&R 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：
UP{j5gR:_ RLE ！读取镜头
[|3>MZ2/ 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)
;|cTHGxbE FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
|uH %6&\ LOG 3119 ！日志编码
}Y17*zp% WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 R,
8s_jN APS 4 ！定义光阑面为表面4
.\qj;20 W 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
;!T{%-tP UNITS MM ！
透镜单位为毫米
[!VOw@uz 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
Q\3 Z|% 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
:9|W#d{o 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
=4 X]gW 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
T^} 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
D8#
on! 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
,s^<X85gp\ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
Y3ZK%OyPR 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
rB%$;<`/ 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
'?yCq$& 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
t=#Pya 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
e[t<<u 3" 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
(, xZGa 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
v}v 5 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Us~ X9n_F 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
^aRgM uU 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
( H N4g;{ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
8S;CFyT\n 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
5H:@ 8,B 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
I}Xg &-L 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
sxED7,A 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
L6i|:D32p 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
&VWlt2-R0h 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
~tGCLf]c\ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
cub <G! K 8 TH 16.29978150
.#5 l$[' 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
Jll-X\O`- 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
W%!@QY;E( END ！以END结束
UlQQP^Na '?Iif#Z1 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：
Ca $c; ;' e@t8i6
9F + P@Kp ? 4)v`* 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
s([Wn)I 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
C/v}^#cLD 2go> 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
xNN@ 1P[* 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
n!N\zx8 Dr"/ 3xm
8t .dPy< 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
Ws49ImCB Kv+Bfh
'0+$ 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。
mT_ GrIl[ 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。
iY.eJlfH DSEARCH输入如下： }BN\/;<A CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
->yeJTsE9 TIME ！计算程序运行时间
GH3#E*t+[ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Vf{2dZZ{1 SYSTEM ！透镜系统输入
,{j4 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
BQjam+u6 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
SQKt}kDbM WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
hswTn`f UNITS MM ！透镜单位为毫米
Rk<%r k END ！以END结束，与SYSTEM呼应
!z=pP$81 > x'bZ]gm GOALS ！目标设置
*e<_; Kr? ELEMENTS 5 ！元件数为5
+(ny|r[# FNUM 1.428 ！F数为1.428
KP~-$NR BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
9!t4> TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
[b5(XIGUN} STOP FIRST ！光阑面为表面1
u3wL<$2[8 STOP FIX ！光阑面固定
6D9o08 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
-fux2?8M ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
[(c L/_ RSTART 300 ！起始半径为300mm
4
10:%WGc TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
XZ:1!; 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)；
VBx,iua w FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
98<zCSe\] FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Jf+7"![| GLASS POS ！正透镜玻璃类型
31 ] 7z G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
3Hm7
uBZ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
# ,P(isEZ" G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
xzK>Xi? END ！以END结束，与GOALS呼应
A1<k1[5fJ nO@+s
F 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)
<R ~KM=rL ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
~_}4jnC ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
h>tsis'N9 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
lS 3 _Ild ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
EVS K8T, END ！以END结束，与AANT呼应
fNEz GO ！启动程序
` X qy TIME ！计算时间
' PL_~ GI4oQcJ 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：
Y~GUR&ww0n m~Me^yt>}
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：
2B'^`>+8S Y\>\[*.v
r!M#7FDs(
7xR|_+%~K
*(VbPp_H_
相应的局部放大镜头结构
K-<n` zg3 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
0nT%Slbih PANT
*cy.*@d VLIST RD ALL
Hf.xd.Yw VLIST TH ALL
T Xl\hL\+ END
q @*UUj@ AANT P
n% U9iwJ. AEC
! pV<n ACC
;;6\q!7` GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
{"\q(R0 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
&}|0CR.( GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
4Qhx[Hv>( M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
UR\Z N @O M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
,@,LD u ACC 10 .1 1
DlS&qFs ACM 3 .1 1
e c`>KuY ACA
5#BF ,-Jv ASC
eAU"fu6d END
yx 7loy$[ SNAP 0/DAMP 1.00000
]t7ClT)n! SYNOPSYS 100
5G UH;o1m
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 Pg qECd) f
GSEARCH输入如下： v6KL93
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 }RH lYN
GSEARCH 3 QUIET LOG f!^)!~
% M+s{ l
SURF e8 v; D
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 tc5M$b3^2
END 7:ckq(89
(J/>G y)d
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； IS .g);Gj
NAMES ！玻璃名称 I S.F
G G-ZF52 UVnrDhd!0
G D-FK61 \v.HG]
/u
G H-ZF88 `$f\ %
G H-F51 e nWF7`
END ！以END结束 [3GKPX:OA/
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 AK %=DVkM
GO ！启动程序
dz pj9[ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
IBzHR[#,^ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
J,6!7a 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
Z<w,UvJa D1"1MUSod
