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
.nD#:86M 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：
|Mq+QDTTw~
图1 近红外镜头初始设计
G]=z
![$ P$ o bID 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：
U=G49 ~E RLE ！读取镜头
^!1!l- 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)
bp?5GU&Uy FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
UTkPA2x LOG 3119 ！日志编码
>$Z G=& WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 v1:.t APS 4 ！定义光阑面为表面4
Vu5?;|^: 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
0VNLhM(LM UNITS MM ！
透镜单位为毫米
X+;[Gc}(W 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
[
\_o_W 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
TwkT|Piw
S 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
%l7[eZ{Y 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
DC8#b`j 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
0#]fEi 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
cT'Bp)a 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
(Gm Bv 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
OMLU ;,4 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
Cb ;6yE)!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
Yj& Sb 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
XZ %,h 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
x0<;Rm [u= 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
1b9S";ct0 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
h]oUY.Pf 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
q| D5
A|) 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
huC{SzXM 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
'3l TI 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
,cl bD4 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
]pR?/3 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
)7
p"
- 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
Ce}`z
L 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
>-MnB 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Pm/<^z% 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
M|DMo i8x 8 TH 16.29978150
eI1zRoIl- 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
+_]Ui| l 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
JH . XZM& END ！以END结束
CQWXLQED> D]@(L bMG4 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：
s>>&3jfM xvTtA61Vp
Zy(i_B-b e gq,)6> 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。
6F (z6_< 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。
t=P+m O\=Z; }<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？
wsQnjT> 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：
D :@W*, agUdI_'~@9
`jE[Xt"@ 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。
..`c# O& B[uyr)$
>#G% 2Vp 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。
QEJ u.o 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。
xG sOnY; DSEARCH输入如下： ^OV ; P[ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
(ks>F=vk* TIME ！计算程序运行时间
%p}vX9U') DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
MJ:c";KCq0 SYSTEM ！透镜系统输入
hY4# 4A`I ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
wiN0|h>, 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
p.W7>o,[w WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
|P5dv>tb
F UNITS MM ！透镜单位为毫米
!`{?qQ[= END ！以END结束，与SYSTEM呼应
N?@^BZ j
e\!0{ GOALS ！目标设置
\lK?f] qJq ELEMENTS 5 ！元件数为5
85E$m'0O FNUM 1.428 ！F数为1.428
:qo[@ x{ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
; <FAc R TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
o9xc$hX} STOP FIRST ！光阑面为表面1
[Hx}#Kds STOP FIX ！光阑面固定
?AFb & NPASS 100 ！程序
优化次数为100
s@L ;3WdO ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
)q<VZ|V RSTART 300 ！起始半径为300mm
,k J'_mq TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
B!&5*f} * 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)；
.BP d06y FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
K28L(4 ) FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
V[.{cY ?6 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
w[z=x G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
?xaUWD GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
9tpyrGv G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
q[A i^79 END ！以END结束，与GOALS呼应
+C`!4v\n ~ikp' 5 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)
nYtkTP!J6 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
phDIUhL$z ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
xsZN@hT ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
?^|[Yzk ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
hE:~ ~ox END ！以END结束，与AANT呼应
xC< )] GO ！启动程序
[],[ LkS TIME ！计算时间
Qy:yz g+o$&'\ 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：
qK'mF#n0# 'wPX.h?
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：
S\Z*7j3;M Gm-
"?4 (
2]fTDKh
z
4}"oQk:r
7}xQ4M\u$
相应的局部放大镜头结构
Y's=31G@ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
G:e=9qTf PANT
}zA|M9%E VLIST RD ALL
@C-dCC? VLIST TH ALL
1
k!gR END
^fKKsfIf AANT P
I e!KIU AEC
UusAsezm: ACC
b$2=w^* GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
{ZUk!o>m@ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
zDYJe_m ~ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
`_yksh3zL4 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
yMW3mx301j M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
A#$l;M.3R ACC 10 .1 1
QY+{ OCB ACM 3 .1 1
dZ|bw0~_! ACA
~% \vX ASC
bHTf{= END
(l][_6Q SNAP 0/DAMP 1.00000
eZ)
|m SYNOPSYS 100
LEKE+775
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。 wPghgjF{
GSEARCH输入如下： 4P Sbr$
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 L e~D"d8
GSEARCH 3 QUIET LOG OY"BaSEOw}
tQj=m_
SURF wOUCe#P|r
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 1q'_J?Xmd
END LZ#A`&qUd
2s2KI=6
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； r(]G d`]
NAMES ！玻璃名称 V13^SVM
G G-ZF52 qUe2(/TQu
G D-FK61 /_<_X
7
G H-ZF88 " QfF]/:
G H-F51 ( Vey]J
END ！以END结束 ( |W6p%(
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 MXVCu"g%
GO ！启动程序
(N}\ Wft% 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
-{3^~vW|< 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
+S V!QMIg 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
,DKW_F| CNiJuj`
