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
Jv4D^>yj[ 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：
X
gx2
图1 近红外镜头初始设计
9Qs"X7 iH Uf2v$Jl+Yh 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
P9tQS"Rs RLE ！读取镜头
jh Eg#Q$ 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|Cy!E=d FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
4 W//Oc@e LOG 3119 ！日志编码
4htSwK+
WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ?3"D|
cS1 APS 4 ！定义光阑面为表面4
fO|~Oz<S 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
;~gd<KK UNITS MM ！
透镜单位为毫米
Oih 2UrF 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
,O&PLr8cJ? 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
1u S>{M 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
C +?@iMh 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
K9qEi{[ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
f;tyoN0wHx 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
~q_+;W. 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
D`~{[c v)\ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
>& TnTv?I 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
m oJT8tb 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
=[)N6XV 3 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
g<T`F 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
1-NX> E5 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
L..X)-D2 n 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
wq_oh*"
5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
*A1TDc$ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
t{S{!SF4 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
ZV q 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
[ls ?IFg 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
)x:j5{>( 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
!{ESeBSCG 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
C}P
\kDM 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
sQw`U{JG 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
ATmqq)\s 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
~h^}W$pO 8 TH 16.29978150
AIxBZt7{b 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
t-4 R7`A< 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
7+!7]'V END ！以END结束
E#2k|TpH4 .iN*V| n 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
`Ig2f$} FPUR0myCU
B% g :Z Qhr]eu;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。
#HuA(``[d 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。
UrcN? nC!^,c 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
aCi^^}! 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：
73z|'0. //u76nQ
PLD'Q,R 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。
]vkHU6d )4_6\VaM
_t;VE06Xjs 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。
r= H\4%P4 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。
qddT9U|8~ DSEARCH输入如下： k q.h\[ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
^\kHEM|5v TIME ！计算程序运行时间
,Ho.O7H DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
OZ14 -}Lr5 SYSTEM ！透镜系统输入
*;yMD-= ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
jKV?!~/F 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
I;Fy
k70w; WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
- QI`npsnV UNITS MM ！透镜单位为毫米
sAN:C{ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
V\`= " cTa D{!zm5 GOALS ！目标设置
9egaN_K ELEMENTS 5 ！元件数为5
wY_- FNUM 1.428 ！F数为1.428
EbYH?hPo BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
*^+xcG TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
,Ve@=< STOP FIRST ！光阑面为表面1
n9/0W%X> STOP FIX ！光阑面固定
{5IG3' NPASS 100 ！程序
优化次数为100
N5Mz=UgB ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
LLY;IUK!R RSTART 300 ！起始半径为300mm
%e<dV\x?T TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
Ry S{@=si 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)；
]bE?n.NwZ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
7c]Ai FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
M V d
3* GLASS POS ！正透镜玻璃类型
to|9)\ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
h}&Il DG GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
>@Vr'kg+V G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Dj. +5f' END ！以END结束，与GOALS呼应
XK-x*| T<?BIQz(} 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)
7<o;3gR7Kj ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
vGHYB1=~ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
DMN H?6 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
A":b_!sW ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
W8h\ s { END ！以END结束，与AANT呼应
gbf=H8] GO ！启动程序
=?Md&%j TIME ！计算时间
qML*Kwg Vot+gCZ 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：
jF_I4H pP,bW~rk
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：
Z|S 7 " , F/>Pv q]
* .VZ(wX
~R AH -]
7O^ S.(
相应的局部放大镜头结构
T5_Cu9>ax DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
iX6jvnJ:/ PANT
VDY1F_Fk VLIST RD ALL
a`iAA1HJ VLIST TH ALL
Z?' |9FM END
K)\gbQ| AANT P
8~#Q * AEC
#de^~ ACC
!z
5d+ M GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
Wj=ex3K3u. GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
NP*0WT_gB GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
E2k Rt'~N M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
' t.F.t M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
ZUW>{'[K ACC 10 .1 1
7 e[\0:Z ACM 3 .1 1
n`Iy7X ACA
h18y?e7MU ASC
Kp8T;&<Iay END
P[ 8N58# SNAP 0/DAMP 1.00000
zRFM/IYC SYNOPSYS 100
nW'x#0-
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。 K({,]<l5
GSEARCH输入如下： +qf{ '|H
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 (k&aD2PH
GSEARCH 3 QUIET LOG !OgoV 22
Lo 9?,^S
SURF lIP<`6=4
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 .Kwl8xRg
END Y g?{x@
x's-UO"^
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； RhmVHhj
NAMES ！玻璃名称 E/'] M~Q
G G-ZF52 MV \zwH
G D-FK61 <5~>.DuE
G H-ZF88 :XZ
pnjj
G H-F51 TeqsP1{?
END ！以END结束 nB0 ol-<
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 0+pJv0u
GO ！启动程序
jMbK7
1K% 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
V1A3l{>L 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
P,_E 4y 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
J[w XG6M -1J HhRr]
