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
R 4DfqX 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：
;Cty"H,
图1 近红外镜头初始设计
R -mn8N& V<PH5'^$j 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
[I<J6= RLE ！读取镜头
K&"X7fQ ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
?Ho> FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Uw3wR!: LOG 3119 ！日志编码
E4_,E eC# WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ']1a APS 4 ！定义光阑面为表面4
%ca` v;]. NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
:n%& UNITS MM ！
透镜单位为毫米
A#i[Us| OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
) <w`:wD 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
2l:cP2 fa 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
1 3Q87i5B 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
p ^ OHLT 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
sEL0h4 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
>S{8sN 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
axN\ZXU 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
-<" ;|v4 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
P{StF`>Y 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
Z:2%gU&W 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
{*
w _* 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
m6 gMVon 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
rD !GEU 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
GR 1%(, 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
(eHTXk*V` 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
it-2]Nw 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
i]qxF&1 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
S{{wcH$n'i 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
-"#jRP]# 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
(/{ bJt~b 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
95 ix~cH3q 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
oP:R1< 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
`9\^.g) 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
mSk";UCn 8 TH 16.29978150
\,lIPA/L 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
K\mFb 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
g\iSc~%? END ！以END结束
GSfU*@L 3 0eK>QZ_ 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：
W"A3$/ nq^ mDuS-2G=D
W q }W )E 2 ksbDl} 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
p$*P@qm 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。
i4M%{]G3Y ( iJ
/ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
DH4IF i> 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：
\H1t<B , gebL6oc%
{L7+lz 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。
wb##|XyK<c v(,
tu/
([7XtG/? 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。
(io[O?te 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。
x]4>f[>*> DSEARCH输入如下： `-?`H>+OG CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
z2#k /3%o= TIME ！计算程序运行时间
P=s3&NDD DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
VAe[x
` SYSTEM ！透镜系统输入
<KI >:@|Sc ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
^}J,;Zhu5 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
z>'vS+axV WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
bwJluJ, E UNITS MM ！透镜单位为毫米
d vo|9 > END ！以END结束，与SYSTEM呼应
^E~1%Md. S5YEz
XG GOALS ！目标设置
,v?FR
}v ELEMENTS 5 ！元件数为5
SQMt R2 FNUM 1.428 ！F数为1.428
_p^Wc.[~M BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
dh%DALZ8t TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
TpdYU*z_Br STOP FIRST ！光阑面为表面1
LX =cx$ K STOP FIX ！光阑面固定
{Eqx'j NPASS 100 ！程序
优化次数为100
#Kx @:I ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
{z9z#8`C; RSTART 300 ！起始半径为300mm
Fr2F&NN `D TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
cxx8I 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)；
f >&*%[fw FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
Y3 -f68*( FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
$6 4 {Ff GLASS POS ！正透镜玻璃类型
bXqTc2>= G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
<Ynrw4[)t GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
,-DU)&dF G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
}j!C+i END ！以END结束，与GOALS呼应
B$7C jv lAGntYv 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)
voJJoy% ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
.z*}%,G ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
9hJ
a K ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
=F5 zU5`i ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
/_yAd,^-+ END ！以END结束，与AANT呼应
k?1e + \ GO ！启动程序
-<e_ ^ TIME ！计算时间
Yj l:i*u/ o"kL, & 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：
,D& -.`'E Ht@5@(W]I
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：
\ 6pQ&an R 0G!5>1i
}1Q> A 5e
ofs Lx6Po
xqauSW
相应的局部放大镜头结构
-MORd{GF DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
/J(~NGT PANT
#vAqqAS`, VLIST RD ALL
=Q6J Xp VLIST TH ALL
~D` END
AKS. XW AANT P
/2Ok;! . AEC
uC[F'\Y ACC
m\_v{1g GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
!FvL2 L GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Qtt3;5m GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
n;QFy5HB8 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
.&h|r>*|J M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
qa4j>; ACC 10 .1 1
J~h9i=4<bF ACM 3 .1 1
$y UPua /- ACA
oxJAI4{y
4 ASC
jLw|F-v-l< END
@ 0/EKWF SNAP 0/DAMP 1.00000
-a'D~EGB^ SYNOPSYS 100
6QNZ/Ox:
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 ^S(QvoaQ
GSEARCH输入如下： mApl;D X
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 K?yMy,9%Yw
GSEARCH 3 QUIET LOG )q[Wzx_ j<
'<O.J(N~4!
SURF =dp`4N
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 j!@, r^(
END 08g2? 5w"
S7@/d HN
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； mILCC} Kt
NAMES ！玻璃名称 O>9-iqP>`d
G G-ZF52 j{/5i`5m
G D-FK61 *|g l1S
G H-ZF88 &3itBQF
G H-F51 a%QgL&_5
END ！以END结束 }n
+MVJ;dG
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 S$a.8Xh
GO ！启动程序
n ;> r 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
hW\'EJ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
%H3 iX^}* 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
M7YbRl Un&rP70
