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
Zc' >}X[G 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：
*nUpO]
图1 近红外镜头初始设计
Dry ;$C}P I vl^,{4 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
uYFcq RLE ！读取镜头
CrwcYzrRWl ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
#K,qF* FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
;o)`9<es!2 LOG 3119 ！日志编码
n[cyK$" WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 PE6u8ZAb" APS 4 ！定义光阑面为表面4
{p lmFV 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
luxKgcU UNITS MM ！
透镜单位为毫米
> -tH&X^ 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
U~B}vt 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
uI:3 $ 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
WNlSve)]ie 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:7 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
s2' :&5( 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
yM#trqv5 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
NE>JtTF< 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
zHum&V8=H 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
*a0I Z 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
_%p9 B#X<> 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
!k??Kj 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
J-%PyvK$? 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Z :i"|; 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
)]>Y*<s } 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
%_J/&{6G 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
$j4?'-i=e 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
<"|<)BGeI 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
ZD] '$ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
]!Aze^7; 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
WSB|-Qj}W 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
d# ?* 62 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
}${ZI 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
2T2#H P 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
-_f0AfU/a 8 TH 16.29978150
\,IDLXqp 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
rM~IF+f0XD 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
"ZPbK$+=yU END ！以END结束
/a/uS3& S?z j&X Y3 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：
*[5#g3 Fe2 -;o
n,'AFb4AF & I'F-F; 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。
(pxz#B4 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。
*CD=cmdD* f'yd {ihFp 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
9NoPrR=x 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：
( L Mn {Rg>X
McI4oD~" 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。
;8xn"G0}a ~hw4gdtS
XV 9'[V 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。
eOmxA<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。
M@z/ gy^ DSEARCH输入如下： gR6T]v CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
o;-! ?uJ TIME ！计算程序运行时间
{1&,6kJF&9 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
=,;3z/k% SYSTEM ！透镜系统输入
9- <V%eNX ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
qhGhUyNX 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
Xwq2;Bq WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
Oes+na'^ UNITS MM ！透镜单位为毫米
x,*t/nzR END ！以END结束，与SYSTEM呼应
SmEd'YD!J WW/m
/+ GOALS ！目标设置
}Nc! 8'@ ELEMENTS 5 ！元件数为5
%+JTQ y FNUM 1.428 ！F数为1.428
Iur} ZAz BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
J_ Xf :Mz- TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
39m"}26*E STOP FIRST ！光阑面为表面1
L}pFb@ STOP FIX ！光阑面固定
qO'5*d;! d NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Y]Nab0R& ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
/9 # jv]C: RSTART 300 ！起始半径为300mm
_C#( )# TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
KT?s\w 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)；
QlXF:Gx"= FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
m1Z8SM+ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
i 58C A? GLASS POS ！正透镜玻璃类型
+~AI (h G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
qUg4-Z4 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
*\+ 'tFT6 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
AUpC HG7 END ！以END结束，与GOALS呼应
VDN]P3 nvs7s0@Fqe 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)
?uBC{KQ}Y ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
3"%44' ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
|hyr(7 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
dgD%I ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
^aoLry&i= END ！以END结束，与AANT呼应
>#|Q,hVU5 GO ！启动程序
e-meUf9 TIME ！计算时间
u^[v{hv'H |0 %UM} 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：
mMWNUkDq ~PAn
_]Z
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：
Kf5 p* AI d)sl)qt}0
VX%\_@
j!H?dnE||
5X-(@GwN
相应的局部放大镜头结构
oOz6Er[KO DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
e.H"!X!0#H PANT
( #Aq*2Z. VLIST RD ALL
U.x.gZRo[ VLIST TH ALL
l<6/ADuS END
ylJlICK AANT P
gf>5xf{M AEC
[J 3;U6 ACC
u'> CU GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
s l 5wX GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
d(XWt;K K GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
n|6yz[N M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
*k$&Hcr$ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Q+dI,5YF ACC 10 .1 1
_v,n~a}& ACM 3 .1 1
df\>-Hl ACA
LlqhZetS ASC
i[n 1}E.@ END
B~rK3BS SNAP 0/DAMP 1.00000
^" - 2fJ SYNOPSYS 100
j>23QPG`6U
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。 W&#Nk5d
GSEARCH输入如下： ^Pwq`G A
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 JTJ4a8DE
GSEARCH 3 QUIET LOG ovO^uWz`
X}Fv*
SURF ".4^?d_^VF
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 g!uhy}
END 10 ^=1@U
@pz2}Hd |
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； v\C+G[MV 7
NAMES ！玻璃名称 }S4Fy 3)
G G-ZF52 {HeMdGn9
G D-FK61 ZW"J]"A
G H-ZF88 E*vi@aI
G H-F51 hZy*E [i
END ！以END结束 |99eD gK,
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 #s%$kYp 1
GO ！启动程序
x uF_^ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
.v{ty 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
q$P"o].EK 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
_DQdo #]2u!a ma
