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
}$s QmR R 现有的近红外镜头设计文件为1.RLE，其保存路径为C:\Synopsys\Dbook\。我们首先选择该路径，然后在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>FETCH 1,点击‘Enter’键。再在CW中输入：SYNOPSYS AI>PAD,点击‘Enter’键。这样，即可获得近红外镜头初始设计结构，如图1所示：
nIqF:6/ 图1 近红外镜头初始设计
=FfR?6 ~ (ih t
LF p 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
{,= hIXo> RLE ！读取镜头
r uy?#rk ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
:N' FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
(R(NEN LOG 3119 ！日志编码
)M@^Z(W/a WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ^1Bk*?Yx\x APS 4 ！定义光阑面为表面4
gBZNO! a,d NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
%1)J Rc UNITS MM ！
透镜单位为毫米
?',Wn3 A OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
Fzz9BEw(i 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
V(Oi!(H;v 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
O mph( 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
[YJ*zO 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
ajX] ui 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
EF;B) y= 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
hPUZ{#;n 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
| *L/
m0'L 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
qBZ ;S3 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
*Zn,v-d 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
".?y!VY 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
2~h Q 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
D3y4e8+Z' 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
D2zqDo<+; 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
^UyN)eX 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
'Z nJd j 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
epcvwM/A 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
|V^f}5g d 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
p$<){ ,R 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
S e(apQ H 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
2
S2;LB 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
01IfvK 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Uh^j;s\y 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
;}k_ 8 TH 16.29978150
@==
"$uRw 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
rK4
pYo
9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
i(xL-&{ END ！以END结束
fqn;,!D?9 'Y/8gD~. 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
[ *
!0DW` 
@FN1o4&3 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
h9 rrkV9 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
vb`: qnO/4\qq 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
. C1g Dry] 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
l{V(Y$xp3 
$ C8s 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。
lNv xt6@s 
|2I
p* c32"$g 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$3/jl*#} 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
)F6p+i=" DSEARCH输入如下： (dym*_J CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
8,:lw3x1 TIME ！计算程序运行时间
VC^QCuSq DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
IOl0=+p SYSTEM ！透镜系统输入
A$TF a:O| ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
mQ\oR| 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
@! jpJ} WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
"p&4Sn3T2? UNITS MM ！透镜单位为毫米
+lJD7=%K]Z END ！以END结束，与SYSTEM呼应
UQjZhH ^k!u GOALS ！目标设置
QtOT'<2t] ELEMENTS 5 ！元件数为5
qtp-w\#S$ FNUM 1.428 ！F数为1.428
qx}*L'xB BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
:kucDQE({? TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
V}Pv} j:; STOP FIRST ！光阑面为表面1
^ 1XnnQa STOP FIX ！光阑面固定
^0 /!:*? NPASS 100 ！程序
优化次数为100
6Q`7>l.|? ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Vje LPbk) RSTART 300 ！起始半径为300mm
?)4c!3# TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
;5}"2hU> 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)；
ak(P<OC- FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
"-G&]YMl FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
J#G\7'?{ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
r7 v 1q G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
hy@e(k|S]U GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
QB7^8O!< G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
a<Ps6' END ！以END结束，与GOALS呼应
9tB :1n} Y>K3.*. 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)
^2mCF ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
1i
6>~ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Mey=%Fv
ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
<:~'s]`zf ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
_\AT_Zmy END ！以END结束，与AANT呼应
{-s7_\|p( GO ！启动程序
Il!#] TIME ！计算时间
>orDw3xC ~Yl%{1 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：
Yd<q4VJR 
200Fd8Ju 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：
0+_:^z 
y?V#LW[^E m # I
lLuAg ds` C-VkXk
相应的局部放大镜头结构
`wLMJ,@f. DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
5~xv"S(E} PANT
E XQ 3(:& VLIST RD ALL
FdmoR; VLIST TH ALL
S{)'1J_ 0 END
8MCSU'uQ AANT P
W
sDFui AEC
[f-<M@id/ ACC
~H`(z zk GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
I#](mRJ6 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
+q)B4A'J! GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
_,E ! < M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
yA-UXKT M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
M\be a ACC 10 .1 1
m# t ACM 3 .1 1
yyu f ACA
*D uxabo? ASC
PH]ui= END
nV?e(}D SNAP 0/DAMP 1.00000
" ?Xb$V7 SYNOPSYS 100
2ee((vO&
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 )Xd2qbi
GSEARCH输入如下： FLOSdMYdw
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 ,2^zX]dgM
GSEARCH 3 QUIET LOG C-L[" O0[
(Qz|
N
SURF I=wA)Bli1p
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 ? Eh)JJt
END "(SZ;y
~JxAo\2i
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； tvvRHvL
NAMES ！玻璃名称 ~0XV[$`L
G G-ZF52 FR 1se
G D-FK61 a gxR
V
G H-ZF88 Rac 4a@hZ
G H-F51 s4Y7 x.-
END ！以END结束 h**mAa0f o
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 D}:M0EBS
GO ！启动程序
:TN^}RML 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Z\P&i# 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
>Y[nU~ w 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
)K^5 +oC17 
tD !$!\`O
