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
Wu( 8 G 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：
*f SM' q;
图1 近红外镜头初始设计
0JNOFX ^-u HdafP 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}0jC2Tb RLE ！读取镜头
_oTT3[7 P 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)
nZCpT
|M5 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
0 '7s LOG 3119 ！日志编码
^P/D8cXa4 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 nq f<NH3i APS 4 ！定义光阑面为表面4
=h::VB}Lv 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
}+
2"? f|] UNITS MM ！
透镜单位为毫米
"t:.mA<v 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
zm+ 4Rl( 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
\GvY`kt3 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
Rr 4CcM 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
iBQBHF 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
I#t9 aR+ & 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
#0g #W 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
I ~L Q1 _ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
W 8$=a 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
D?}m
h1# 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
s2?, ' es 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
O2]r]9sh* 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
i @9 Qb 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
o:8S$F`O@ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
V- ;nj,.mY 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
] ZGvRA& 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
#A/J^Ko 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
8[1DO1*P 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
rtL9c w5 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
5**5b9bj-9 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
@MZ6E$I 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
1LE^dS^V 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
b?] S&)"9 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
m0\"C-Bk 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
(U'7Fc 8 TH 16.29978150
Da8$Is;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
Z#Zzi5< 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
y'!p>/%v END ！以END结束
/-{O\7-D tw4am.o1] 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：
[wio/w c A,lw-(.z4Z
ro&Y7m 9[p }.9 / 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。
-{8Q= N 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。
J;=aIiN] R |t 65# 1 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
I"cQ 5gF?A 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：
V Iz{}_~'s s/G5w Rl<
oa& US_ 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。
;h-G3>Il 0J: U\S
<S8I"8{Mb 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。
fb0T/JT w 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。
VJl &Bq+ DSEARCH输入如下： XuFm4DEJ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
/R(U >pZ TIME ！计算程序运行时间
C`)^~C_]`3 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
cB|Cy{% SYSTEM ！透镜系统输入
G{:af:5Fo ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
C*{15!d: G 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
D)* _{
WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
h2/dhp UNITS MM ！透镜单位为毫米
Ng."+& END ！以END结束，与SYSTEM呼应
J"D &q \}u7T[R=` GOALS ！目标设置
3d#9 Wyx s ELEMENTS 5 ！元件数为5
PK - }Ldj
FNUM 1.428 ！F数为1.428
c;b[u:>~- BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
e<L 9k}c TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
|%:q hs, STOP FIRST ！光阑面为表面1
S&
, Ju% STOP FIX ！光阑面固定
Gh$y#0qr NPASS 100 ！程序
优化次数为100
} Jdh^t . ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
f#;ubfi"z RSTART 300 ！起始半径为300mm
r>@ B+Xi TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
]s*[Lib QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
^ Kw&=u FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
|~/3u/ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
x;ER RK GLASS POS ！正透镜玻璃类型
aR="5{en{: G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
f*|8n$% GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
OUlxeo / G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
d6t)gG*5 END ！以END结束，与GOALS呼应
F;d%@E_Bc .fLiX x 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)
r{R[[]p ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
k lP{yxU'n ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
oN&rq6eN ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
Y'<uZl^aX ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
jlRl2 #" END ！以END结束，与AANT呼应
9&[) (On74 GO ！启动程序
|z!q
r }i TIME ！计算时间
8(vC jL 3ZW/$KP/ 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：
AMh37Xo j{Yt 70Wv
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：
NSMjr_ L;.VEz!
ny!lj a5[
Zzw}sZ?8
4DQ07w
相应的局部放大镜头结构
f"Z qA'KB# DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
R\9>2*w PANT
CU#L *kz VLIST RD ALL
~4MtD f VLIST TH ALL
(B>yaM#5 END
$n=W2WJ6f AANT P
Vr&el AEC
h"VpQhi ACC
T =eT^?v GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
S 0R8'Y GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
mC*W2#1 pF GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
%K&+~CJE M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
M(;y~ |e M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Kf:2%_DB ACC 10 .1 1
V9 +xL 1U# ACM 3 .1 1
tl{]g z ACA
&57qjA ,8< ASC
^G|w8t+^ END
oJlN.Q#u& SNAP 0/DAMP 1.00000
pTa'.m SYNOPSYS 100
\ &eY)^vw
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。 7%:??*"~
GSEARCH输入如下： ) > >u|#@z
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 DHh+%|e
GSEARCH 3 QUIET LOG K?h[.`}
i;[h
9=\/
SURF ]yyU)V0Iu
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 #W>x\
END &q ," !:L]
+ L`V[;
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； vbr~<JT=
NAMES ！玻璃名称 Bl kSWW/
G G-ZF52 bh= \
G D-FK61 vqr BRlZ
G H-ZF88 E0sbU<11
G H-F51 K%Usjezv&
END ！以END结束 Mq+viU&
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 tpv?`(DDU
GO ！启动程序
o x(* 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
pu\b`3C( 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
$s e !8s" 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
3mpP| b" 98D{{j92
