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
0ro )e~_@* 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：
wp$SO^?-
图1 近红外镜头初始设计
s* rtm y![h 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
=PXNg!B}D* RLE ！读取镜头
w
W-GBY3 ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
!5 x"d7 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
eQzTb91 LOG 3119 ！日志编码
N+h|Ffnp WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 n_iq85 APS 4 ！定义光阑面为表面4
)-[X^l
j NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
L{aT"Of{X UNITS MM ！
透镜单位为毫米
8iq~ha$]| 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
r/8,4 :rh 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
OG0ro(|dI 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
^fH]Rlx 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
9'O<d/xj/ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
}k'8*v}8 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
D4_D{\xhO 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
GMd81@7 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
tBdvk>d 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
(n# 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
=yk#z84< 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
==Ju2D?% 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
^k~{6S, 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
T7&itgEYG/ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
U.d*E/O R5 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
:N(L7&< 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
3
nb3rHQ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
(,HA Os
6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
("wPkm^ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
9NKZE?5P|D 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
]oZ$,2#;~ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
0W#.$X5 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
R~)c(jj5 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
<Eq^r h 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
%/s:G ) 8 TH 16.29978150
Ywlym\
[+ 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
(iH5F9WO 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
}Li24 JK END ！以END结束
1,BtOzuRo Z3"f7 l6 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：
[BmondOx w ~Es,@
}4\>q$8' # >[+6y]U! 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。
h?fv:^vSi 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。
H#G'q_uHH ?\ .P 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
^P(HX 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：
znX2W0V %]RzC`NZ
%;9wToyK> 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。
8M8=uw~# %F1 Ce/
sm/l'e 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。
&&TQ0w&T 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'uH4[zX% DSEARCH输入如下： <c^m |v CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
L)4TW6IUk TIME ！计算程序运行时间
o=4d2V%m DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
h5.u W8 SYSTEM ！透镜系统输入
* }A J7] ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
jcv3ES^ 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
cMI QbBM WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
E.4`aJ@>d UNITS MM ！透镜单位为毫米
[u =b [( END ！以END结束，与SYSTEM呼应
a4O!q;tu7 9Jaek_A` GOALS ！目标设置
i{!i %`" ELEMENTS 5 ！元件数为5
#2{ } ;) FNUM 1.428 ！F数为1.428
G S4!c8> BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
lRX*\ M\` TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
[gQ* y~N STOP FIRST ！光阑面为表面1
&3'II:x( STOP FIX ！光阑面固定
bY&s $Ry3" NPASS 100 ！程序
优化次数为100
mf^(Tq[ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
mS0*%[S { RSTART 300 ！起始半径为300mm
$yI!YX& TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
9^3y\@ m 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)；
qbFzA
i FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
z9u"?vdA FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
J'.U+X U GLASS POS ！正透镜玻璃类型
zf4@:GM` G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
VLkK6W.u GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
e(,sFhR G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
~;3N'o END ！以END结束，与GOALS呼应
@ $4(!80- y!)Z ^u 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)
iw1 2x: ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
y`! 3Z} 7 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
$@7 S+'Q3 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
Nq"/:3@4 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
zgJ%Z r!~ END ！以END结束，与AANT呼应
P<km?\Xp( GO ！启动程序
OtrO"K TIME ！计算时间
4-lEo{IIM < pK 72 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：
U8\[8~Xftn 1#&*xF "
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：
I.euuzBgA #xNLr
Tmg~ZI:MW
K #}DXq
"P~0 7
相应的局部放大镜头结构
0' @^PzX DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
uF+if`? PANT
]o6Or,ml VLIST RD ALL
??CtmH VLIST TH ALL
l+*^P'0u END
!gWV4vC AANT P
w<lHY=z E AEC
[2a *TI ACC
@K7#}7,t GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
q1;}~}W;z4 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
0-oR
{
{ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
I;S[Ft8d M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
QyuSle M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
$21+6 ACC 10 .1 1
X@*$3z#Z ACM 3 .1 1
S ])Ap'E ACA
k^}8=,j} ASC
pE[ul END
c8v+eyn SNAP 0/DAMP 1.00000
?H#]+SpOcv SYNOPSYS 100
zZ 3,e L
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 lUJ/ nG0l
GSEARCH输入如下： [k ZvBd
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 4=9To|U*
GSEARCH 3 QUIET LOG %fGS< W;
U+3,(O
SURF cE
'`W7&A
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 @kK${
END
n4h@{Xg
0C#1/o)o
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； ,[7 1,zs
NAMES ！玻璃名称 %=xR$<D
G G-ZF52 {0+gPTp
G D-FK61 c^S^"M|
G H-ZF88 +R@5e+auQ.
G H-F51 HeZ! "^w
END ！以END结束 -v e{O-;
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 - o#HO_9
GO ！启动程序
\Lv
eZ_h5 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
JV=d!Gi[C 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
UQgOtqL3 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
o j /: ja3wXz$2
