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
p? +!*BZ 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：
Pvv7|AV
图1 近红外镜头初始设计
j^Qk\(^#IV / E!6]b/ 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：
\\Zsxya1 RLE ！读取镜头
u ?F},VL; 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)
\2f?)id~ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
oN83`Z LOG 3119 ！日志编码
[N*S5^>1 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 $D^27q:H APS 4 ！定义光阑面为表面4
=JT wH>fD NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
g
C8 deC8 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
t T
A OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
va(6?"9 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
\ /wk!mWV@ 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
M_?B*QZJI 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
f/kYm\Zc 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
&RS)U72 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
u3 +]3!BQ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
KB \ri&bF 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
fP;I{AiN~ 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
Q^Vch(`&P 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
( Q&jp!WU 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
8;UkZN"hy5 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
I#F,
Mb>: 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
|e+r~).4B 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
tOj5b 7'ui 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
1?TgI0 HS 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
)DW".c 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
w(M i? 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
.(Z^[C} 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
tsB}'+!v# 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
je:J`4k$ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
Py9:(fdS 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
#)T'a 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
}6__E;h#J 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
-S@ ys 8 TH 16.29978150
F Go)] U 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
grd
fR`3 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
nwDW<J{f|U END ！以END结束
!$-QWKD4 NUi&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：
#\}xy PS 
WK SWOSJ 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。
@nj`T{*. 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。
nzB! 0U y+.(E-g 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
;UQ&yj%x 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：
Y=UN`vRR 
eYg0 NEq{ 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。
0NSCeq%;6q 
?zXl Lud8 aTLr%D:Ka 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。
4 Gh% PUV# 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。
)B^T7{ DSEARCH输入如下： y= 1(o3( CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
BQ~\ p\ TIME ！计算程序运行时间
%( 1y DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
{RH)&k&% SYSTEM ！透镜系统输入
PiX( Ase ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
M[Jy?b) 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
Ys%d WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
A^pRHbRq UNITS MM ！透镜单位为毫米
VBu6,6 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
[4}U*\/>C L<N=,~ GOALS ！目标设置
04E#d.o ' ELEMENTS 5 ！元件数为5
,5|@vW2@u FNUM 1.428 ！F数为1.428
E-#}.}i5 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
,xC@ @>f TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
o l+*Oe STOP FIRST ！光阑面为表面1
i~*#z&4A+ STOP FIX ！光阑面固定
DB+ .< NPASS 100 ！程序
优化次数为100
5bprhq-7 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
X4v0>c RSTART 300 ！起始半径为300mm
y-:d`>b>\ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
*2I@_b6& 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)；
n\ 4sNoFI FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
i"y @Aj!7 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
eq36mIo GLASS POS ！正透镜玻璃类型
!*-|s}e G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
LZ~}*}jy GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
?w "zW6U G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
, *Z!Bd8 END ！以END结束，与GOALS呼应
nA#dXckoc zO)3MC7l* 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)
#6Fc-ysk: ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
$)M 5@KT ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
yUFT9bD ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
@avG*Mr^ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
IaR D"oCH END ！以END结束，与AANT呼应
#; >v,Jo GO ！启动程序
~fF;GtP TIME ！计算时间
69{q*qCW HY7#z2L 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
^/$bd4, z 
p#AQXIF0 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：
QpMi+q
Y 
g,5Tr_ #?RT$L>n
Zm/I & |jTRIMj%,_
相应的局部放大镜头结构
rIWQD%Afm DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
=$Sd2UD PANT
:PDyc(s{ VLIST RD ALL
/gq
VXDY+` VLIST TH ALL
J0 x)NnWJ END
3g5
n>8- AANT P
O3["5 AEC
GC^>o F ACC
[I5}q& GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
8~8VoU& GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
rE$=~s GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
o)
,1R: M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
c R6:AGr M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
NN@'79x ACC 10 .1 1
@PyZ u7 ' ACM 3 .1 1
F'9#dR? ACA
, L VZ ASC
:c`Gh< u END
RD0=\!w *5 SNAP 0/DAMP 1.00000
=2.q=a |' SYNOPSYS 100
|'N)HH>;
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。 q jml wVw
GSEARCH输入如下： ,\=,,1_
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 MI\35~JAN
GSEARCH 3 QUIET LOG QNm8`1
R*r; `x
SURF &-h Xk!A
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 fu $<*Sa2
END U/9_:
Q?]-/v
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； J>p6')Y6~
NAMES ！玻璃名称 n b}rfd.
G G-ZF52 YzVhNJWpw
G D-FK61 E]dmXH8A
G H-ZF88 HGlQZwf
G H-F51 ` D={l29H
END ！以END结束 5l4YYwd>v
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 6>&h9@
GO ！启动程序
~X! Z+Vg 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
r: M>/Z/ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
fuF!3Q 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
kBg8:bo~ 
/l1OC(hm
