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
;> /ipnx 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：
jDp]R_i
图1 近红外镜头初始设计
"?+ UI _X?y , # 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：
KMe.i' RLE ！读取镜头
)_F(H)* 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)
&
]%\.m FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
dc)wu] LOG 3119 ！日志编码
B~BUW WMfp WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 +}\29 @{W APS 4 ！定义光阑面为表面4
vnF g%M! 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
d^_itC;-, UNITS MM ！
透镜单位为毫米
YBeZN98Nt 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
k~ZBJ+
94 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
I(y`)$} 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
T+3k$G[e / 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
B\NcCp`5 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
Z!k5"\{0pE 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
9PW m@
Nlf 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
W3aXW,P. V 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
d7\k gh 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
w# xncH:1 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
!+%Az*ik 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
/;[}=JL<Q 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
!;ZBL;qY9 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
o<~-k,{5P 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
u;QH8 LK 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
*C
ts FS ~ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
,q/tyGj 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
54;l*}8Hl 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
VoWA tNU 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
CuF%[9[cT 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
#R5we3&p 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
4|I7:~ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
N,h1$)\B# 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Q>##hG:m 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
7=; D0SS 8 TH 16.29978150
5/zf
x 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
( X0`1s 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
|C&%S"*+D END ！以END结束
z%++\.g_ 7AS.)Q#=x 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 v`2hf >SY 2LmV'a
n.=e)* EY,;e\7O, 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。
3(cU) 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。
b EoB;] CM+F7#T?n 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
-[i4 0
1 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：
Kx(76_XD d08`42Z69
^D% }V- " 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。
n1fE daa7g !N@S^JD6
JUe K"|fA 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。
<XkkY I( 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。
!D.= 'V DSEARCH输入如下： $.suu^> ^w CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
[
t>}SE TIME ！计算程序运行时间
^&f{beU9 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
BLl%D SYSTEM ！透镜系统输入
F[o+p|nF ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
v#FJ+ OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
`'A(`. CL WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
7eaA]y~H UNITS MM ！透镜单位为毫米
b Q|#_/? END ！以END结束，与SYSTEM呼应
J};u25:} SdjUhR+o GOALS ！目标设置
.(P@Bl]XJ ELEMENTS 5 ！元件数为5
F]URf&U FNUM 1.428 ！F数为1.428
w~cq % % BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
mG}^'?^K TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
60U{ e}Mkb STOP FIRST ！光阑面为表面1
+SZ%& STOP FIX ！光阑面固定
<wd4^Vr!2 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
XudH ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
=,/A\F RSTART 300 ！起始半径为300mm
qb>|n 1F_ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
*<|~ =*Ddf QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
'0])7jq FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
{|7Oms lC@ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
:uU]rBMo GLASS POS ！正透镜玻璃类型
m<,y-bQ*( G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
.dg 4gr \D GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
m-Z'K_ oQ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
+7lRP)1R END ！以END结束，与GOALS呼应
.Y^d9. qJbhPY8Ak SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
@Le ^- v4 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
#um1?V ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
do?S,'(g ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
OxmlzQ"vM ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
%(d V|,|v END ！以END结束，与AANT呼应
m"?' hR2 GO ！启动程序
l7D4`i<F TIME ！计算时间
VAF:Z YN5OuKMUd' 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
@y;tk$e Y|x6g(b
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：
9Ww=hfb5UW D@lAT#vA
5w,YBUp
9 +N._u
'^.=gTk
相应的局部放大镜头结构
NBbY## w0 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
k DceBs s PANT
gR _b~ ^ VLIST RD ALL
l;][Q]Z@V VLIST TH ALL
8^ ~ZNU-~v END
!w;A= AANT P
0=(-8vwd AEC
I%zo>s6 ACC
#LNB@E GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
8^f[-^% GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
]Xkc0E1 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
r /s&e e M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
6!Tf'#TV~! M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
}v( H
E%~} ACC 10 .1 1
?+} E ACM 3 .1 1
tWX+\ | ACA
g)r ,q&* ASC
IpaJ<~ p END
WE Svkm; SNAP 0/DAMP 1.00000
dn.c#,Y SYNOPSYS 100
EK- b vZ
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。 m(7_ZiL=
GSEARCH输入如下： EJ
&ZZg
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 UgP=k ){
GSEARCH 3 QUIET LOG a\.O L}"
r<f-v_bxF
SURF /wCxf5q0
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 .*wjkirF#~
END dE9aE# o
FUTyx"
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； !PP?2Ax
NAMES ！玻璃名称 )mo|.L0
G G-ZF52 *}WqYqOow
G D-FK61 dU04/]modD
G H-ZF88 =B{ $U~}
G H-F51 7[?}kG
END ！以END结束 Y @ ,e
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 O 9 Au =
GO ！启动程序
V:" \(Y 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
UNH}*]u4` 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
V{aIhH> P 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
cJ E>;a >, Swk3
