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
B5
&YL 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：
-_HRqw,Z0
图1 近红外镜头初始设计
]<q'U> N o~k;D{Snr 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：
dEG ]riO RLE ！读取镜头
]/[0O+B? 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)
Bi
XTC$Oi FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
PK}vh% LOG 3119 ！日志编码
DU`v J2 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 NFV_+{X\ APS 4 ！定义光阑面为表面4
BtID;^D z NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
c(CJ{>F% UNITS MM ！
透镜单位为毫米
`y x56 OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
<uC<GDO 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
N"K\ick6J 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
VW~Xbyf 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
d
"B5==0I 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
ozuIwzi7N 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
EzU P ah 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
cP J7E 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
lU& Q^Zj` 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
^1Yo-T( R 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
V>r j$Nc] 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
^H-QYuz:T0 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
ho_4fDv 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
]Cr] Pvab{ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Bqp&2zg)@ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
-? Ejbko 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
d _uF Y: 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
[*t U}9 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
YY\Rua/nG 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
9[Y*k^.! 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
1P \up 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
u,\xok" 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
p [b7E`7 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
j $KM9 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
$CM4&{B"i 8 TH 16.29978150
F46O!xb% 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
8>m1UO Nr 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
c9|I4=_K END ！以END结束
.1 Vu-@ M{G$Pk8 [ 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：
`k!UjO72 y6 bjJ}
O4n8MM| ` }~ V,_Fv 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。
pL%4= ]m 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。
"AV1..mu +H[Q~P8'[ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
FRc |D 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：
roL}lM$ tjt=N\;
"\}21B~{7' 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。
0:s8o@} rpx 0|{m
UQSX<6" 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。
s !NisF
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。
"i}Z(_7yr DSEARCH输入如下： 7G?I a%u CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
)ynA:LXx TIME ！计算程序运行时间
#DrZ`Aq DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
?! R %o SYSTEM ！透镜系统输入
)Gx":
D ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
.0?ss0~ 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
OCvml 2
vP WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
!'Gb$l! UNITS MM ！透镜单位为毫米
*1R##9\jU7 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
"^18&>^ )H.ubM1 GOALS ！目标设置
S$Qr@5 ELEMENTS 5 ！元件数为5
'M47'{7T FNUM 1.428 ！F数为1.428
,>:XE@xcp BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
#/\pUK~km TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
@"jmI&hYn STOP FIRST ！光阑面为表面1
Z#srQD3].( STOP FIX ！光阑面固定
|zK!+fu NPASS 100 ！程序
优化次数为100
C# ZmgR ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
no mu$|I RSTART 300 ！起始半径为300mm
jq7vOr-_g TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
^)(G(=-Rf 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)；
K]*g , s+ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
*pDXcURw FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
H9.oVF^~ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
{yGZc3e1j G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
;bUJ+6f: GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
tn(f rccy G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
,?P8m" END ！以END结束，与GOALS呼应
L3-<K op %V@R k.< 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)
_%AJmt} ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
e);bF >.~ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
;LwFbkOuU ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
f hVbJU ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
=U)n`#6_j2 END ！以END结束，与AANT呼应
h
v;n[ GO ！启动程序
Dwm@E\^ihm TIME ！计算时间
'YBLU )v[ CO xZ
Q 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：
p,M3#^ q p~v2X dR
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：
AH"g^ gw~T >w%d'e $
yf RUTG
D2hAlV)i(
(cPeee%Q
相应的局部放大镜头结构
8=ukS_?Vy DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
==PQ-Ia PANT
6 qz!M VLIST RD ALL
?qq!%4mTB VLIST TH ALL
jQH 5$ END
X_^_r{ AANT P
="'rH.n # AEC
j SUAU}u!M ACC
]4 L T# GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
nr<}Hc^f- GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
's56L,^: GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
"-~D! {rS M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
e +d6R[`M M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
7cOg(6N ACC 10 .1 1
Z
L6~Eut ACM 3 .1 1
pqGf@24c< ACA
pw(U< ) ASC
:$X4#k< END
#XYLVee, SNAP 0/DAMP 1.00000
sqMNo n`5 SYNOPSYS 100
Gdc ~Lh
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 SevfxR
GSEARCH输入如下： 7DC0 W|Fe
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 K~fDv i
GSEARCH 3 QUIET LOG 4N%2w(,+8
h0S y'] 3m
SURF ~#N .!e4
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 Wf+Cc?/4
END vV&AG1_Mv
TQb FI;\
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； toYg$IV
NAMES ！玻璃名称 /4wm}g9
G G-ZF52 mBD!:V'
G D-FK61 dwf #~7h_
G H-ZF88 (c* 7VO;
G H-F51 |({UV-`
END ！以END结束 c9cphZ(z
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ]Gi+Z1q
GO ！启动程序
^8f|clw" 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
*Wuctu^9 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
U#~nN+SIt 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
`|ck5DZT5L # ZYid t
