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
L%FL{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：
}T,uw8?f!
图1 近红外镜头初始设计
"L]_NS T \BL9}5y 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：
/eQn$ZRP, RLE ！读取镜头
jxvVp*-=<j ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
5oS\ uX| FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
'Nh^SbD+_| LOG 3119 ！日志编码
32yNEP{ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 x<(h9 tB APS 4 ！定义光阑面为表面4
N"TD$NrK\ 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
PW}.` UNITS MM ！
透镜单位为毫米
1*fA >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
& ,zeBFmc 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
rzu^br9X 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
z( wXs&z; 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
'' 6 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
s 6B@:9 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
S4w/
kml3 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
\cG'3\GI 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
qb Q> z+c 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
)-(NL!?` 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
e\<I:7%Rg 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
X 6)L pMm 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
)7^jq | 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
LdOB[W 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
U:Y?2$# 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
zF P Sk ] 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
/?sV\shy 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
cQ`,:t#[ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
AF@ C9s 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
am}zOr\ 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
v,jU9D \ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
5M*p1 ^ > 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
[Mi ~4b 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
mWh:,[o 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
oW6.c]Vo 8 TH 16.29978150
C.@ TX
8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
4T:ZEvdzf 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
*b &| END ！以END结束
jAu/]
HZx MYjCxy-;A 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
n3( HA PF.HYtZqK
+mJAIjH Fq8Z: ;C8 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
(f)QEho7 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
B-RaAi E@ =6Z 1yw7s 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
;.iy{&$ 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：
u% FA. zIu1oF4[
e. N#+ 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。
V{][{5SR gY%-0@g
QZX+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。
t4h* re+ 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。
:0 J;^@ DSEARCH输入如下： rB4]TQ`c CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
avQwbAh[ TIME ！计算程序运行时间
LVSJK.B DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
' `S,d[~ SYSTEM ！透镜系统输入
j:0z/ gHp$ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
|q?A8@\u 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
{J[0UZ6 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
*p"%cas UNITS MM ！透镜单位为毫米
37VSE@Z+ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
Z',pQ{rD #soWX_> GOALS ！目标设置
+S$x}b'5q ELEMENTS 5 ！元件数为5
.mMM]*e[0 FNUM 1.428 ！F数为1.428
L!\I>a5C0G BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
8{ AzB8xp TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
) .\%a
h STOP FIRST ！光阑面为表面1
=cxjb,r STOP FIX ！光阑面固定
"_lSw 3 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Kg 56.$ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
4g|}]K1s RSTART 300 ！起始半径为300mm
0y?bwxkc TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
YQ]W<0( 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)；
\j4TDCs_[ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
&U:;jlST9 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
/)j:Y:5 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
LKhUqW G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
Zf ;U=]R GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
6:H@= fEv G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
U2;_{n*g% END ！以END结束，与GOALS呼应
X4gs{kx}| {q:6;yzxl 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)
v 81<K*w`P ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
p~qdkA< ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Zv -#v ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
3>ytpXUEGx ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
WOh?/F[@u END ！以END结束，与AANT呼应
G22u+ua GO ！启动程序
F.4xi+S_ TIME ！计算时间
^)TZHc2a[ NbH;@ R)L 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：
k*J0K=U| r3'0{Nn+
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：
EW]rD (V&$KDOA
09/Mg
n&Bgpt~
|Y4c+6@_
相应的局部放大镜头结构
voiWf?X DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
}Ge$?ZFH PANT
(cx
Q<5 VLIST RD ALL
1
Qln|b8< VLIST TH ALL
0tK(:9S END
2)-Umq{]{ AANT P
Vmt$]/ AEC
^? }-x ACC
0-6rIdDTM GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
>4
VN1 ^ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
~m3Q^ue GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
n86LU Sj5 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
4}`z^P<C M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
50 8v:?^' ACC 10 .1 1
L xP%o ACM 3 .1 1
7v't# = ACA
{\ hjKP ASC
h/k00hD60 END
sFt"2TVr3 SNAP 0/DAMP 1.00000
S"H djEF7\ SYNOPSYS 100
VYbH:4K@%
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 |0OY> 5
GSEARCH输入如下： @ q]4]U)
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 zncKd{Q\tP
GSEARCH 3 QUIET LOG _0}u0fk
i]9C"Kw$L
SURF u:.w/k%+
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 ia@ |+r
END s5h}MXIXw
Y O&@
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 9k /L m
NAMES ！玻璃名称 #zRHYZc'T|
G G-ZF52 B`|f" +.
G D-FK61 A*G ~#v^
G H-ZF88 G>=Fdt7Oc
G H-F51 nr&bpA/
END ！以END结束 H-\Ym}BGu
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 e.\dqt~%y
GO ！启动程序
>$,P )cB' 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
1_WP\@ O 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
SS xp!E' 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
D6-R>"} >
a;iX.K
