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
lW c[Q1 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：
G Uu8 N
图1 近红外镜头初始设计
,?yjsJd. J6CSu7Voa 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：
q( qm3OxYo RLE ！读取镜头
g}hUCx( 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)
\r
IOnZ.WK FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
|> (Vo@ LOG 3119 ！日志编码
\Hp!NbnF$ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 +~V_^-JG& APS 4 ！定义光阑面为表面4
fc~fjtqwvz 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
1T#-1n%[k( UNITS MM ！
透镜单位为毫米
LhAN ( [ 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
a>vxox) % 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
IER;d\_V< 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
2@M pWj4 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
Tp-W/YC 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
#MY oy7= 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
"=Z=SJ1 D 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
l0G{{R 0Y 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
yr+QV:oVA 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
F2z o
!a8 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
oL~1M=r 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
, IhQ %)l 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
M;XU"8 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
( 72%au 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
>q;|
dn9 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
0dwD ?GG2 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
2(! W
9#] 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
=EVB?k
, 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
F7<M{h 5s 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
5: 38}p9` 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
$z OV*O2 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
p zRV X8 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
I0l3"5X
a 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
km BA 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
Bj{J&{ 8 TH 16.29978150
"zw{m +7f, 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
!QdX+y<re 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
"
:e
<a? END ！以END结束
yE
N3/-S+ Fdl0V:< 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
\0lQ1FrY <,O| fY%
gGNo!'o 0>m$e(Z 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。
u L v 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。
L"0dB. lre(]oBXA 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
nEU H; z 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：
ih("`//nP !}|'1HIC
NfQ QJ@* 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。
vZQraY nJ -^_^ByJe
-c8h!.Q$ 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。
M.SF }U 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。
TyO]|Q5 DSEARCH输入如下： D
Q4O CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
SIM> L z TIME ！计算程序运行时间
fvta< DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
on
hLhrZ SYSTEM ！透镜系统输入
'ym Mu}q ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
YpZuAJm<2_ 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
S^1ZsD. WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
E}zGY2Xx UNITS MM ！透镜单位为毫米
NHU5J SlB END ！以END结束，与SYSTEM呼应
.5 SYN -@ c;KMox/ GOALS ！目标设置
guCCu2OTA% ELEMENTS 5 ！元件数为5
LCXWpU j~ FNUM 1.428 ！F数为1.428
Le-t<6i-V# BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
:V6t5I'_ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
7<:o4\q?m STOP FIRST ！光阑面为表面1
!F ?j'[s8] STOP FIX ！光阑面固定
^0{t NPASS 100 ！程序
优化次数为100
6e|uA7i4 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
`o{_+Li9 RSTART 300 ！起始半径为300mm
E i2M ~/ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
6* 1f -IbV 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)；
( ?e
Et& FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
Rc93Fb-Zp FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
#xR=U" GLASS POS ！正透镜玻璃类型
mDt!b6N/ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
5%K|dYv^^ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
d=\TC'd"{ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Z6So5r %wZ END ！以END结束，与GOALS呼应
I(3YXv
VN 7#&Q-3\: 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)
mq}uq9< ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
DoBQ$Ke p ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
1TzwXX7 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
^\S~rW.3_ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
Vv`94aQTD END ！以END结束，与AANT呼应
av'[k< GO ！启动程序
-:!Wds TIME ！计算时间
~USyN'5lU7 ^IvQ dVB 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
W}k/>V_ RP 6<#tq,
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
! u: ;Ew EpT^r 8I
5|}u25J
s[7/w[&
Aj/E aIq
相应的局部放大镜头结构
zII^Ny8D DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
@eESKg( , PANT
hq&9S{Ep VLIST RD ALL
F U L'=Xo VLIST TH ALL
I4 <_y5 END
sw:a(o&$ AANT P
M4
})) AEC
@d0~'_vtB ACC
7 > _vH] GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
<jaQ 0S{| GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
s`yg?CR`, GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
McbbEs=) M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
>~ 'z% M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
lQRt smZ0 ACC 10 .1 1
[_KOU2 ACM 3 .1 1
XKOPW / ACA
K|D1 ASC
fU.z_ T[@ END
2PNe~9)*# SNAP 0/DAMP 1.00000
$
\!OO) SYNOPSYS 100
<&((vrfa
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。 >C5u>@%9O
GSEARCH输入如下： bq8h ?Q
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 M`*
BS
GSEARCH 3 QUIET LOG cQ`0d3
~?iQnQYI
SURF @' P ay)P
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 S*7 6V" ")
END EAC I>
>I ;.q|T
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； (*T$:/zI S
NAMES ！玻璃名称 j(>xP*il
G G-ZF52 d\c)cgh%
G D-FK61 .E7"Lfs-
G H-ZF88 G2sj<F =AV
G H-F51 `Hu2a]e9
END ！以END结束 {=U*!`D
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 fMM%,/b{
GO ！启动程序
7e#|Iq:o 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
HHs!6`R$0c 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
9pWSvalw9 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
{DUtdu[ v5{2hCdt
