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
qVjl8%) 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：
ziPE(B
图1 近红外镜头初始设计
gJz~~g' (r78 AZ 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：
w_4/::K* RLE ！读取镜头
^U OVXRn 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)
2B Dz \ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
JO{Rt h LOG 3119 ！日志编码
V 3?x_p p WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 `t Z m APS 4 ！定义光阑面为表面4
M*6}# ST 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
FyY<Vx'yQ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
a $-:F$z 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
KVQ|l,E,
/ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
<O+T 4.z 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
ksb.]P d. 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
w% Vw*i6o 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
e ! BablG[ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
4K{<R!2 I 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
JWzN 'a R 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
9OI&De5?=V 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
(^,4{;YQ5 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
vK@t=d 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
wd 86 y 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
"kH Ft|%@ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
]m&cVy& 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
1FC' iGI 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
TX/Ng+v S 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
gN./ u 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
^6c=[N$aW 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
U5_1-wV 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
rsSE*(T
t 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
-`knSR 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
PH$f DbC8 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
4Og&w] 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
e&*< "WN 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
gpt9 8:w: 8 TH 16.29978150
b 3$aPwv 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
kta`[%KmIZ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
P01o: /} END ！以END结束
7=V s1TVc ZMFV iE;8 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：
~x}/>-d vbXZ Z
02|f@b P. ? dD<KCbP, 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。
iobL6SUZ 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。
4|PNsHXt !4gyrNS 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
{Vg 8pt 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：
lL6 bIjf r@j$$Pk`
n4* hQi+d 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。
P8Nzz(JF 8V]oR3'
{i}z|' ! 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。
}\p>h 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。
:
5=E> ! DSEARCH输入如下： zQ [g* CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
@%8Xa7+ TIME ！计算程序运行时间
Mwm=r// DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Q2 tM~ SYSTEM ！透镜系统输入
Zjo8/ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
i Eh
- 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
~}B6E) WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
!kzC1U UNITS MM ！透镜单位为毫米
7.G1Q]6/ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
+@
'( N W6=j^nv GOALS ！目标设置
WGx e3(d ELEMENTS 5 ！元件数为5
iymOq9 FNUM 1.428 ！F数为1.428
/~k)#44 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
}YPW@g TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
1r %~Rm STOP FIRST ！光阑面为表面1
M!KHB r STOP FIX ！光阑面固定
t")+ L{ NPASS 100 ！程序
优化次数为100
@ P[ o ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Mo4#UV RSTART 300 ！起始半径为300mm
pWU3?U TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
[P'crV,m 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)；
|sa{!tKJ
FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
q?J d.r5* FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
~ S5wfx& GLASS POS ！正透镜玻璃类型
pI__< G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
[gZz'q&[) GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
1-HL#y*7$ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
z0XH`H |~ END ！以END结束，与GOALS呼应
urJ>dw ?FI H, /|pP. 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)
"K.Xo G4| ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
i&|fGX?-I ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
3 #fOrNU2 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
6##}zfl ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
I=N;F 6 END ！以END结束，与AANT呼应
XxN=vL& m GO ！启动程序
$ ~#N1 TIME ！计算时间
M7$ h uVO*@Kj+ 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：
$jLJ&R=?] kG =nDy
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
.GJl@==~ 1 xB&kxW.;
a6UW,n"n
fB \+.eN
/(`B;?
相应的局部放大镜头结构
( I Ac*V~ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
o6H\JCne PANT
]6 W ;~w % VLIST RD ALL
) h*)_7 VLIST TH ALL
.zm' E< END
qDOJ;> I AANT P
aJ nZco6 AEC
q&eUw<(F ACC
iQrTEp GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
c *O{?b GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
>JN K06T GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
%s]l^ RZ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
vV2px M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Ol;}+?[Q ACC 10 .1 1
r#Pkhut ACM 3 .1 1
k+(Up O=/* ACA
,zCrix
3 ASC
\ 2Jr( ?U END
lX)RG*FlTC SNAP 0/DAMP 1.00000
"IOu$? SYNOPSYS 100
%-z AV*>
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。 owYSR?aG
GSEARCH输入如下： E 8-8E2i,
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 0baq696<F
GSEARCH 3 QUIET LOG -:O~J#D
C:$12{I?*
SURF p[ Z'Fl
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 Sa V]6/|
END &" V% n
J- %YmUc)
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； yI S.'mK
NAMES ！玻璃名称 l:!4^>SC
G G-ZF52 $,vZX u|Qw
G D-FK61 [zO
G H-ZF88 jGB2`^&d
G H-F51 d|,,,+fS
END ！以END结束 V^qZ~US
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 YF{ KSGq
GO ！启动程序
mp_(ke 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
~YxLDo'. t 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
u9AXiv+K 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
Zi+>#kDV jni }o m
