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
EYtf >D
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：
n#[-1 (P
图1 近红外镜头初始设计
(= } cc I
*YO 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：
_]a8lr+_- RLE ！读取镜头
HpSmB[WF 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)
[, Q(~Qb FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
#;sUAR?] LOG 3119 ！日志编码
\Z-T )7S WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 XW
w=3$ APS 4 ！定义光阑面为表面4
"K
n
JUXpl 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
G=W!$(: UNITS MM ！
透镜单位为毫米
@d]I3?`
OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
h@}KBK 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
j/`- x 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
rVgz+'rFD[ 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
x%ju(B> 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
_-eF
&D 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
~G|un}g= 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
bCr) 3, 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
WPi^;c8 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
0g}+%5]yg 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
.V G$ `g" 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
vp@ %wxl!: 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
\g< 9_ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
{U1
j@pKm 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
9v>BP`Mg 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
@ FVan 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
px;5X4U 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
'2mR;APz 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
B?`n@/ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
W`_pjld 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
VN `T:! & 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
p?(w ! O 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
|g<1n 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
SQ!wq 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
[ fvip_Pt 8 TH 16.29978150
VP[ -BK[ 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*H>" 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
7 zo)t1H1 END ！以END结束
dzJ\+
@4 PhF.\W b 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：
$MD|YW5 PkA_uD hw
XOgl> 1O V? AHj< 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
i
bA Z*I 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
-;pZC}Nd3 V# 8]io 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
^2Sa_. 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
.BN~9w td Z,sHY6
P'f0KZL; 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
]"bkB+I LDlj4>%pW^
s`"o-w\$> 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
ngF5ywIG 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
z
d
9Gi5& DSEARCH输入如下： Q` mw2$zv CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
!u~h.DrvZ TIME ！计算程序运行时间
8 tq6.%\ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
3=o^Vv SYSTEM ！透镜系统输入
_22;hnG<iy ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
7^$PauAv OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
)o!y7MTl WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
ly`p)6#R= UNITS MM ！透镜单位为毫米
tY$
.(2Ua END ！以END结束，与SYSTEM呼应
p&1IK8i" S%KY%hUt GOALS ！目标设置
yNp l0 d ELEMENTS 5 ！元件数为5
g-^Cf FNUM 1.428 ！F数为1.428
A*l(0`aWq BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
^]mwL)I} TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
|rJ1/T.9 STOP FIRST ！光阑面为表面1
&8!* u3 STOP FIX ！光阑面固定
RqTW$94R D NPASS 100 ！程序
优化次数为100
dhl[JC~ _ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
`P1jg$(eA RSTART 300 ！起始半径为300mm
_r!''@ B TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
A:Y]< jt 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)；
oXw} K((| FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
{l&6= z FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
:x e/7 - GLASS POS ！正透镜玻璃类型
5`m RrEA G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
c +Pg[1- GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
#PYTFB % G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
=XWew* END ！以END结束，与GOALS呼应
cJ9:XWW HfN-WYiR 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)
kIS&! V ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
Xh==F: ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
fuJ6
fmT ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
Hb&-pR@e\? ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
0gNwC~IA8 END ！以END结束，与AANT呼应
_Y@'<S. GO ！启动程序
)W^Wqa8mG| TIME ！计算时间
gE8=#%1< < p<jX wl 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：
_2{i}L 4xLU15C
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：
5A]IiX4Z e* gCc7zz
Ve>*KHDSt
x9r5 ;5TI
Nx4_Oc^hY
相应的局部放大镜头结构
.E :QZH' M DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
v ?@Ys+V PANT
eK\ O > VLIST RD ALL
w91gM*A VLIST TH ALL
(n7 v $A END
GCul6,w AANT P
T 1m097 AEC
eN]0]9JO ACC
1fRYXqx GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
` +]9+:tS GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
y I \ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
k^I4z^O=-; M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
xy `aR< L M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Q1V 4bmM ACC 10 .1 1
j6Acd~y\2 ACM 3 .1 1
c0ET] ACA
,vP9oY[n ASC
) ^PY-~o[ END
Vf6lu)Z c1 SNAP 0/DAMP 1.00000
pLMki=.Ld SYNOPSYS 100
eG26m_S=
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。 vvw6 GB,M
GSEARCH输入如下： ew B&PR
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 *{:FPmDU
GSEARCH 3 QUIET LOG 0+IJ, ;Wx
Z QND ^a:
SURF 1fwCQM
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 QFI dp R.
END c_a*{L|c
Md'd=Y_0
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 5{qFKo"g@,
NAMES ！玻璃名称 dix\hqZ
G G-ZF52 c :"*MM RC
G D-FK61 @u3K.}i:g
G H-ZF88 ]q L#/
G H-F51 ?1}1uJMj-
END ！以END结束 }K9 V r!
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 {y=H49
GO ！启动程序
{6'5K
U*RH 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
:
:8UVLX 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
{c|nIwdB 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
>
taT;[Oa _ ={*<E
