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
SA{5A 1 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：
g5t` YcL
图1 近红外镜头初始设计
Q@/Z~xw"'I } ^WmCX2a 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：
;]_h")4"c RLE ！读取镜头
?L6pB]l8b 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)
\I 7,1I FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
;+rcT;_^/ LOG 3119 ！日志编码
U<wM#l
P|Z WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ^< Zye>KO APS 4 ！定义光阑面为表面4
VJgYXPE
` 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
_z53r+A UNITS MM ！
透镜单位为毫米
`{xKU8j^ 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
U&gI_z[ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
(1Klj+"p% 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
F_~A8 y 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
KdC'#$ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
QFIYnxY9 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
y':65NMda 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
/.Jq]" 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
; - 8] 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
C'a#.LM 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
C;']Fm K] 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
z|O3pQn~ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
$8>II0C. 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
#1Ie v7w 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
( PSL [P 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
!wH'dsriD 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
~r&+18Z; 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
YFeL #) 5y 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
LQJC ]*b1 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
jQ dIeQD+ 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
oq2-)F2/ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
^a=V. 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
8Od7e` 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
VCa `|S?2 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
Z*YS7 ~ 8 TH 16.29978150
8BX9JoDi 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
N V`=T?1[5 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
N[;R8S P END ！以END结束
%Q zk aXJ =J'&.@Dwz 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
C9n*?Mk: [I78<IJc
.-GC,&RO DUb8 HgcV} 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
rA A?{(!9x 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
o>A']+`E u vPD%5 AJN 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
4VHX4A}CgA 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
qq>Qi (> ; :'A Bfs
H6< 3'P 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
[E9)Da_)i JdX!#\O
E51S#T 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
o':K4r; 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
b Zu2.?{ DSEARCH输入如下： pet q6)g? CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
p$a+?5'Q TIME ！计算程序运行时间
/ ~pB_l DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
"= yz}~, SYSTEM ！透镜系统输入
?~ /_&=NSx ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
CgKFI 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
p/KG{-f, WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
3V3 q
vd UNITS MM ！透镜单位为毫米
O}X @QG2_ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
>Y;[+#H[ 5EL&?\e GOALS ！目标设置
ftP]WGSS> ELEMENTS 5 ！元件数为5
fK+ [r1^ FNUM 1.428 ！F数为1.428
]P)2Q!X BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
}ni@]k#q< TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
[uF v_G{H STOP FIRST ！光阑面为表面1
w$ jq2?l STOP FIX ！光阑面固定
1l\. >H\ E NPASS 100 ！程序
优化次数为100
"B*UZ.cC ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
C^*}* hYk$ RSTART 300 ！起始半径为300mm
c!] yT0v&s TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
[9\Mf4lh# 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)；
C5 =m ~ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
RSIhZYA FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Su*Pd; GLASS POS ！正透镜玻璃类型
kcE86Y=|x! G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
0r]-Ltvl?} GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
##'uekSJ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Aq_?8 Cd END ！以END结束，与GOALS呼应
bDnT><eH [>|6qY$D SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
Xvxj-\ - ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
#-kx$(''V ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
L<p.2[3 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
_m3#g1m { ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
RU\MT'E>( END ！以END结束，与AANT呼应
nBzju?X)I GO ！启动程序
O[z-K K< TIME ！计算时间
vxXrVPU3 '[Bok=$B) 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
G1ED=N_# %[BOe4[
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
y ~Vl0f; 6{H@VF<QY!
;qaNIOo9
Z%QU5.
WTwura,
相应的局部放大镜头结构
EgTj
DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
{emym$we PANT
TCK<IZKLqK VLIST RD ALL
T 5>'q;jM VLIST TH ALL
=Iy khrS END
^-% O AANT P
W. ?EjEx AEC
nI,-ftMD-| ACC
6&6t= GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
j0A9;AP;;C GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
3j/~XT GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
a4Y43 n M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
c='uy x M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Nj+g Sa9 ACC 10 .1 1
hf5+$^RZ ACM 3 .1 1
y@Ak_]{b ACA
T:S[[#f{5 ASC
~-#8j3 J ; END
B0m2SUC,H SNAP 0/DAMP 1.00000
/v7o!D1G SYNOPSYS 100
. r \g]
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 }=s64O 9j
GSEARCH输入如下： 7? q Rz
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 2I0Zr;\f
GSEARCH 3 QUIET LOG uw{ K&Hxw
0E/16@6=
SURF 'h `) 6{
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 3EA`]&d>
END YkI_i (
jGtu>|Gj
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； pZ&?uo67_
NAMES ！玻璃名称 Us4# O&
G G-ZF52 @@#(<[S\B
G D-FK61 z;PF% F
G H-ZF88 dd!Q[]$ }
G H-F51 Lmj GU[L,@
END ！以END结束 f| &, SI ?
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ZW`wA2R0
GO ！启动程序
Z6_ fI 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
M+Eg{^ q` 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
H*h4D+Kxv 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
mZ#h p}\. O.$OLK;v
