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
RiFw?Q+ 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：
c^.l 2Q!
图1 近红外镜头初始设计
Q9>U1]\ wu~hq d 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：
wH6u5*$p RLE ！读取镜头
k%Vv ? {g ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
raB+,Oi$G FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
3$p#;a:=n LOG 3119 ！日志编码
(ku5WWJ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 NHaMo*xQ APS 4 ！定义光阑面为表面4
;b%{ilx: NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
X utF"9u UNITS MM ！
透镜单位为毫米
JMyTwj[7 OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
bEH
de*q( 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
\54}T 4R 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
|V&G81sM 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
3h=8"lRc 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
pyB~M9Bp/ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
VOgi7 \ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
46,j9x 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
;;&F1@3tBa 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
"Pc$\zJm; 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
Q~,YbZ-7 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
<!'M} s 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
m J 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
<' m6^]: 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
HFtf 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
Of7 +/U V 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
) pgrl 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
-|_ir-j 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
~1(j&&kXet 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Ok H\^ 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
'fW#7W 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
/g.]RY+u|x 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
s: |M]. 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
^PqF< d6 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
mP}#Ccji? 8 TH 16.29978150
yfe'>]7 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
(.X]F_ *sc 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
d>i13d AI END ！以END结束
_a
-]?R B@K[3 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：
k3hkk:W SS3-+<z
;u-4 KK Zk`#VH 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。
%|IUq jg
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。
M7dU@ Ag yI8tH ! 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
W{Q)- y 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：
~brFo2 S%6U~@hig
E_:QS y5G 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。
1mW %
9f+RAN(
- r#K#v3 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。
ujzW|HW^v 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。
t1i(;|8| DSEARCH输入如下： 3N4.$#>#9@ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
46XN3r TIME ！计算程序运行时间
Pv){sYUh DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
_<Dt
z SYSTEM ！透镜系统输入
?d- 70pm ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
"yh Pm OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
FC>d_=V WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
j6>tH"i UNITS MM ！透镜单位为毫米
A WJ WtUa END ！以END结束，与SYSTEM呼应
@.$MzPQQI x>3@R0A 1: GOALS ！目标设置
CZ=0mW fF ELEMENTS 5 ！元件数为5
G\~^&BAC FNUM 1.428 ！F数为1.428
a G27%(@ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
SkP[|g'56 TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
&RY )o^g[4 STOP FIRST ！光阑面为表面1
R@`rT*lJ STOP FIX ！光阑面固定
X r_pgW| NPASS 100 ！程序
优化次数为100
2$0)?ZC?= ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Spj9H ?m RSTART 300 ！起始半径为300mm
A,XfD} +:Z TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
7
.+al)hl QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
iuAq.$oi{ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
l)|lTOjb FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
[)| +F
wJ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
|C-y}iQ:6~ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
I:;+ n^N ? GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Q7a(P G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
oXGZK5w<l END ！以END结束，与GOALS呼应
F)ci9- b@ m,6h ee 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)
T 33|';k ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
pj|X]4?wdI ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
-!dQ)UEP ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
,"G \f1 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
uMiyq< END ！以END结束，与AANT呼应
a$}6:E GO ！启动程序
Fd8hGj1 TIME ！计算时间
Ay$>(;
JvJ;bFXD 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：
F`& >NQb 2d&^Sp&11
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：
]|LgVXEpx W~dE
e'~ Q@_D
B,y3]
g6u
YFvgz.> QE
相应的局部放大镜头结构
vLn> 4SK DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
ScJu_A f PANT
hqW$k w VLIST RD ALL
r)B3es&& VLIST TH ALL
/'&v4C^y> END
[.3sE AANT P
yq6LH AEC
g :i*O^c @ ACC
^
f{ qJ[, GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
9dYOH)f GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
\=g!$ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
}td6fj_{ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
X_?%A54z? M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
4 ACC 10 .1 1
0w}{(P; ACM 3 .1 1
N|N/) ACA
#pa\ 2d| ASC
cYD1~J X. END
i
tW~d SNAP 0/DAMP 1.00000
9|a)sb7/ SYNOPSYS 100
8A_TIyh?
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。 uXNp!t Y
GSEARCH输入如下： OR~G Ov|
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 k4mTZ}6E
GSEARCH 3 QUIET LOG ]+,nA R
?>TbT fmR
SURF P^;WB*V
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 k>-'AWH^v
END u]#8 $M2
ZjavD^ky
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； p[ gAZ9
NAMES ！玻璃名称 Iq@IUFpc7~
G G-ZF52 4ioN A/E
G D-FK61 .m'N7`VB
G H-ZF88 ]E..43
G H-F51 KM@`YV_"g
END ！以END结束 |{!Ns +'
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 q8tug= c
GO ！启动程序
>rRjm+vg 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
NIL^UN} 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
pfNThMf 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
>oB ? v6(,Ax&
