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
qHl>d*IZ
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：
qO RL
7?{
图1 近红外镜头初始设计
L-DL)8;` {` ByZB 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：
g-4j1yJV< RLE ！读取镜头
d<cqY<y VA 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)
u10;qYfL8o FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
_ -|+k LOG 3119 ！日志编码
?3y>K!D(A WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 $U4[a: APS 4 ！定义光阑面为表面4
Ei4Iv#Oi` 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
m Eg3.| UNITS MM ！
透镜单位为毫米
kD
me>E= 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
)4R[C= { 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Jb6)U] 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$7cN\Z 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
W1JvLU5L*r 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
+xS<^;
1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
YQ>O6:% 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
ct@3] 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
iXLH[uhO; 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
`$MO;Fv,G 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
(QS 0 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
<m,bP
c :R 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
p2
!w86 F 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Rh%A^j@ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
q2U?EP{8~ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
?CldcxM# 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
LK<ZF=z]Z 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
OBf $Z"i 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
3G'cDemc 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
?:6w6GwAA 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
]GDjR'[z 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
6]m A tA`Y 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
" 5v^6R9e 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
f?TS#jG4} 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
eH~T PH 8 TH 16.29978150
iI;np+uYk 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
}@~+%_; 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
7=s7dY lu END ！以END结束
jhkX U+4 -wVu M.n(Z 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
>vXS6`; :m 36{#
=}0$|@ pl >*\yEH9" 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。
R,fAl"wMu 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。
"N)InPR- 3S1{r
)[j 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
!}sF# 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：
oi8M6l :
@$5M
?O"zp65d( 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
b;nqhO[f} i^8w0H<-@v
"
t?44[ 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
[ua[A;K 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
u$X =2u:P DSEARCH输入如下： Lhrlz,1 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
\FF|b"E_= TIME ！计算程序运行时间
]:m4~0^#-( DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
N`qGwNT%G SYSTEM ！透镜系统输入
mo,"3YW ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
w2jB6NQ X 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)#\s2 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
=h|7bYLy UNITS MM ！透镜单位为毫米
q^7=/d8 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
%IDl+_j 2sVDv@2 GOALS ！目标设置
7[i&EPN ELEMENTS 5 ！元件数为5
c(Fo-4K FNUM 1.428 ！F数为1.428
]mjKF\ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
/ Xv@g$ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
6zi
Mf STOP FIRST ！光阑面为表面1
Y&y<WN}Q STOP FIX ！光阑面固定
| !1iLWQ NPASS 100 ！程序
优化次数为100
XhN?E-WywQ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
)}vUYTU1 RSTART 300 ！起始半径为300mm
*OHjw;xm+ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
75A60Uw 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)；
zm4e+v- FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
T b*Q4:r" FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
LmUR@
/V Q GLASS POS ！正透镜玻璃类型
mXM U G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
o[S
Mt GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
RER93:( G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
e`)zR'As END ！以END结束，与GOALS呼应
%;J$ h^ 1 -R4A7+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)
u
N_< G ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
XH Y,;4 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
9'KOc5@l^ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
z Cu+Oi6 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
n.o_._mu2 END ！以END结束，与AANT呼应
$us7fuKE GO ！启动程序
uiWo<}t}{ TIME ！计算时间
*O-m:M!eA 2 ,.8 oa( 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
/EL3 T t p#g f^Y5
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
Cn>t"#zs!~ <V# ]3$(S
$@[Mo
}IKU^0M9<T
tpP68)<ns
相应的局部放大镜头结构
"h&[6-0' DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
^5-SL?E PANT
T`Xz*\}Zb VLIST RD ALL
gyC Xv0*z VLIST TH ALL
J z-RMX= END
0'R}' AANT P
Ystd[ AEC
85+w\KuEY ACC
S#\Cyn2(t GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
XZ|\|(6Cc GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
7#9 fcfL GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
fc%C!^7 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
~Ecx >f4nX M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
( z%OK[ ACC 10 .1 1
x |3G}[= ACM 3 .1 1
7nbaR~ZV ACA
6H|&HV( !R ASC
{)- 3g~ END
b y J[1UK SNAP 0/DAMP 1.00000
<J^94-[CF SYNOPSYS 100
7:OF>**
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 e{*z4q1
GSEARCH输入如下： 8*(|uX
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 <J!?eH9 f
GSEARCH 3 QUIET LOG E}|IU Pm
?;p45y~n%
SURF <G oZ>
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 S!7|vb*ko
END =|q@ Q`DB
O4,? C)
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； {7 nz:f
NAMES ！玻璃名称 i7xBi:Si
G G-ZF52 +K"d\<
G D-FK61 Ba;tE F{X
G H-ZF88 qjLFg sd
G H-F51 s C? -L
END ！以END结束 ~a. ei^r
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 bH_zWk
GO ！启动程序
Na_O :\x# 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Z<$ y)bf 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
SR { KL#NC 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
%ZJ;> a# %weG}gCM
