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
{ j 9Tz R 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：
XrM+DQ;
图1 近红外镜头初始设计
j &,Gv@ _,!0_\+i 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：
CO smVQ. RLE ！读取镜头
#lrwKHZ+ 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)
L~- /'+ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
9c[X[ Qc LOG 3119 ！日志编码
Bkd$'7UT WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 uDie205 APS 4 ！定义光阑面为表面4
jhm/ <= NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
\894 Jqh UNITS MM ！
透镜单位为毫米
{ iX# OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
2L1y4nnbwo 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
ns%gb!FBJX 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
. 2$J-<O 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
/^A H/,p 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
o3dqsQE% 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
Vt(Wy 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
g5@JA^\vZT 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
b'\Q/;oz> 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
'";#v. ! 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: 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
,Q56A#Y \ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
X#t tDB 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
A|8"}Hm 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
JY2<ECO 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
a$|U4Eqo 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
p /-du^:2 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
EjLq&QR. 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
n#g_)\ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Q"dq_8\`U 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
V?j,$LixY 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
yuZLs H 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
UqI #F 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
(DO'iCxlNh 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
OW@%H;b 8 TH 16.29978150
_# sy 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
\1!Q.V 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
]UkH}Pt'3 END ！以END结束
D+3 ?p MvpJ0Y ( 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：
@v%Kw e1Q `.MZ,Xhqi"
Nu6NyYs d5l42^Z 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。
!b+4[ xky 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。
#"4ioTL2 +
f6 7y 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
\I p)Lm0 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：
Cjf[]aNJe` 'hjEd.
oIE
1j? 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。
gS'{JZu 2 H7X-\K 1w
P`lv_oV 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。
D `JBK?~ 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。
Y/5M)AyJt DSEARCH输入如下： A 0Mjk CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
wtek5C^ TIME ！计算程序运行时间
'Tm1Mh0Fso DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
R'v~:wNTNs SYSTEM ！透镜系统输入
=sYILe[ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
fs
uf YIf 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
zvV&Hks- WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
I 1f pX | UNITS MM ！透镜单位为毫米
lD ,2])> END ！以END结束，与SYSTEM呼应
- Z, Qj"V 'GJB9i+a^ GOALS ！目标设置
a&_ h( ELEMENTS 5 ！元件数为5
n)kbQ] FNUM 1.428 ！F数为1.428
1(o\GI3: BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
,s~l; Gkj TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
Mh7m2\fLbd STOP FIRST ！光阑面为表面1
m8fj\,X STOP FIX ！光阑面固定
]W5*R07 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
2$M nwxfk ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
<c}@lj-j RSTART 300 ！起始半径为300mm
UGPDwgq\v TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
XR+
SjCA 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)；
$.jG O! FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
=K`. $R FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
iqDyE*a GLASS POS ！正透镜玻璃类型
OBAO(Ke G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
<K [y~9u GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
5 %Qxx\q G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
8zx]/ > END ！以END结束，与GOALS呼应
sC-o'13 (Gm Bv 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)
\( Sly&gL ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
C^ )Imr ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
z)3TB&; ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
!2|Lb'O ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
<< >+z5D+ END ！以END结束，与AANT呼应
fa/S!%}fO GO ！启动程序
Ooz ,?wU6 TIME ！计算时间
E'LI0fr XKjrS
9: 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：
-8n1y[ fUjo',<s
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：
LIID(s!bX cLZ D\1Mt
|o5eG><
@Go_5X(
$wUYK%.
相应的局部放大镜头结构
J p=qPG| DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
*I]]Ogpq= PANT
G)7U &B VLIST RD ALL
VExhN'; VLIST TH ALL
jSem/; END
U<j5s\Y, AANT P
G8M~}I/) AEC
w5m /[Z ACC
c u/"=]D GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
DsHF9Mn GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
J8:s=#5 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
s>>&3jfM M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Ypyi(_G(?> M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
;73S;IPR ACC 10 .1 1
Q#p)?:o/ ACM 3 .1 1
T)zk2\u ACA
Nn05me"X ASC
qd0G sr}j END
F1yn@a "=J SNAP 0/DAMP 1.00000
qf0pi&q SYNOPSYS 100
#`SAc `:n
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。 ^)dsi
GSEARCH输入如下： .P m 5nS
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 R{@saa5I(>
GSEARCH 3 QUIET LOG 7:UeE~ uB:
y<Koc>8
SURF #*.!J zOg
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 xG sOnY;
END ^OV ; P[
(ks>F=vk*
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 1mmL`M1
NAMES ！玻璃名称 MJ:c";KCq0
G G-ZF52 hY4# 4A`I
G D-FK61 wiN0|h>,
G H-ZF88 lD0p=`.
G H-F51 Oa/^A-'Q
END ！以END结束 )g :5} +
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 JT
7WZc)
GO ！启动程序
? $B4' wc5 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
iWt%Boyi 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
pz^S3fy 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
_A ,_RM$Y K&[0`sH!
