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
23p.g5hJi 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：
"Ya ;&F.'
图1 近红外镜头初始设计
Ly , ]; E6G;fPd= E 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：
j9 RpYz RLE ！读取镜头
w8>bct3@ 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)
n],cs FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
l<sWM$ez LOG 3119 ！日志编码
l{ fL~O WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 >/@Q7V99{ APS 4 ！定义光阑面为表面4
@.`HvS NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
_ J"J [$ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
EmP2r*"rb 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
uSC I 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
{EU]\Mp0j 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
Mwj7*pxUh 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
d]=>U^K 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
FuBUg _h 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
GBd
mT-7 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
"6?Y$y/wm 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
t `\l+L 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
,0>_(5 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
_J3 \e%ys 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
7#T@CKdUd 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
V-i:t,*lk( 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
D{[i_ K 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
&j{I G`Trl 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
! $o9:[B 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
0b,{4DOD 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
Gn10)Uf8X 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
FW<YN; 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
2b#> ~ 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<3 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
<@@@Pl!~ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
6XeqK*r* 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
k}{K7,DM 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
FFF7 f 5F 8 TH 16.29978150
sD<8 -n 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
L= <,+m[! 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
k1FG$1. END ！以END结束
qRZLv7X*j LA837%) 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
90$`A MR ]b&qC
(
<,T #* fg :4238J8 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。
q]*:RI?wGT 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。
><;.vP N %?8Bm~dP 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
YH!` uU(Lh 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)1ySX&BU ,rQPs
Zxv{qbF 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。
/lvH p
3+ %L[fW`/
Bk1gE(( 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。
\V<deMb= 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。
W&a<Q)o*I DSEARCH输入如下： s|8_R; CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
&$NVEmW-J TIME ！计算程序运行时间
a,p7l$kK DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
4T#Z[B[ SYSTEM ！透镜系统输入
;,Ll OR ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
gC S%J40r 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
tZY(r
{ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
noNL.%I UNITS MM ！透镜单位为毫米
.gHL(*1P END ！以END结束，与SYSTEM呼应
b;sjw5 cm_ !Lj+&D|z GOALS ！目标设置
P!2[#TL0 ELEMENTS 5 ！元件数为5
X?.LA7 )CK FNUM 1.428 ！F数为1.428
utwqP~ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
)c<5:c TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
ma26|N5 STOP FIRST ！光阑面为表面1
~x}=lK N STOP FIX ！光阑面固定
LaiUf_W #X NPASS 100 ！程序
优化次数为100
w-MnJ(r ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
/!0{9F< RSTART 300 ！起始半径为300mm
Ib8xvzR6I& TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
PfVjfrI[ 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)；
;H8A"$%n~ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
MA:8g D FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
enJE#4Z5&s GLASS POS ！正透镜玻璃类型
|+i?FY A\ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
v0} .!u>Ww GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
;HaG-c</ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
e[8p /hId END ！以END结束，与GOALS呼应
6*2z^P9FRj n ZM|8 SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
SQ bnn" ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
&wZ:$ lK#o ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
0$l D ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
~?{@ 0,$ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
gKS0!U END ！以END结束，与AANT呼应
#x&1kHu< GO ！启动程序
[ua{qJ9 TIME ！计算时间
Jh[fFg] (a1 s~ 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：
$3%EKi 6 9,;=
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
-` B |$ W ) fR'1_
hM(|d@)
dd>stp
z/N~HSh!d
相应的局部放大镜头结构
( _E<? DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
r/fLm8+ PANT
+B%ZB9 VLIST RD ALL
&}%3yrU VLIST TH ALL
xq.,7#3 END
)}7rM6 hv AANT P
p}}o#a~V), AEC
rRL:]%POT ACC
&B7X LO[ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
cyG3le& +G GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
s&!g ) GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
m
Fwx},dl M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
}ruBbe Q M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
9#.nNv*z3 ACC 10 .1 1
' Ky5|4 ACM 3 .1 1
~(%nnG6x ACA
7
rOziKZ" ASC
,)nO END
&aaXw?/zr SNAP 0/DAMP 1.00000
Y_ )!U`>N? SYNOPSYS 100
,Rk;*MEMJ
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。 ! ,PG!Gnl
GSEARCH输入如下： y'pAhdF
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 p0UR5A>p
GSEARCH 3 QUIET LOG sV'(y>PP%
tD.md _E
SURF jX!,xS%(
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 Q\Fgc ;.U
END G0|j 3y9$
KZ
pqbI Z
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； \SS1-UbL
NAMES ！玻璃名称 ! &Vp5]c
G G-ZF52 CYmwT>P+*4
G D-FK61 r%JJ 5Al.S
G H-ZF88 ]i)m
G H-F51 #)2'I `_E
END ！以END结束 ^i2W=A'P
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型
@S yGj#
GO ！启动程序
0p :FAvvNI 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
6SIk?]u 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
9H$#c_zrq 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
Tf) qd\ 7 /w)^&8
