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
WyJXT. 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：
6| {uZN z
图1 近红外镜头初始设计
L z;E/ a}s 6T=zHFf~ 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：
Zbjj>*2%^ RLE ！读取镜头
:]-? l4(% 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)
p>
4bj>Ql FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
?mW;%d~] LOG 3119 ！日志编码
qYR+qSAJP WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 !FR1yO'd > APS 4 ！定义光阑面为表面4
k<\] ={ |= 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
>jBnNA@ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
IP+1 :M 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
pI{s
)|" 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
s*W)BK|+? 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
m&Lc." 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
dM3V2 TT 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
ti9 cfv> 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
}lt]]094, 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
.
G ~,h 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
=Pg u?WU@ 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
z/t:gc. 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
-Fs^^={Q 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
Y/w) VV 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
7&9'=G 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
r.;(Kx/M 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
IWcYa. =tZ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
me`( J y< 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
~+Da`Wp 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
#%g~fh 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
q7% eLJ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
ZW| VAn'> 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
"Z6: d"S` 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
6">jf #pE 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
c~UYs\ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
RU'DUf 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
4c=oAL 8 TH 16.29978150
1f1J'du 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
u!D SyHR
' 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
R4|<Vp<U2 END ！以END结束
v#`Wf}G <ST#<
$% 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
`'`T '+0 jq&$YmWp
wp,z~raaS \HOOWaapN 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。
& xqr& (o 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。
~!!>`x UI:{*N**Z 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
`$\Y,9E}x 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
_r|$H_# $V)LGu2( m
Q( KLx ) 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
z,oqYU\: >9g` 9hB
e+F5FAMR68 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
RfB""b8]= 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
^"%SHs DSEARCH输入如下： Zh.fv-Ecp CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
l% A~3 TIME ！计算程序运行时间
sy` : wp DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
k 852M^JP SYSTEM ！透镜系统输入
'.@R_sj ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
1a90S*M OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
aM9St!i WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
%Ys>PzM UNITS MM ！透镜单位为毫米
wDZFOx0#8 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
v) q6 v}]x> f GOALS ！目标设置
m=S[Y^tR ELEMENTS 5 ！元件数为5
< P5;8 FNUM 1.428 ！F数为1.428
.>?["e #, BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
dTaR 8i TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
LZ G^\c$ STOP FIRST ！光阑面为表面1
IR%a+;Xs STOP FIX ！光阑面固定
rA 9x T` NPASS 100 ！程序
优化次数为100
xIrpGLPSh ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
<E
BgHD) RSTART 300 ！起始半径为300mm
jl2nRo TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
-& kQlr 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)；
4W.;p"S2 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
g#_?Vxt FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
%MP s}B GLASS POS ！正透镜玻璃类型
&U xN.vl G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
?/)5U}*M0T GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
GGF;T&DWad G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
S53%*7K. END ！以END结束，与GOALS呼应
6DJ,/J2F `CK;,>i 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)
:Rt5=0x
ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
>Fld7;L?< ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
!nj%n ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
dY\"'LtF ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
:/vB,JC END ！以END结束，与AANT呼应
,0 & lag GO ！启动程序
yK?~X V: TIME ！计算时间
AD? DIE(v |7`Vw Z 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：
R~ w(] m 4Wn$Z
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
X=\ #n-* ;6b#I$-J-
f aO8
&
HB`pK'gz
c(#`z!FB
相应的局部放大镜头结构
}aNi O85 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
;@d %<yMf@ PANT
6>=>Yj VLIST RD ALL
qfSoF| VLIST TH ALL
FOk @W& END
uaPB M< AANT P
{yb\p9q{Yo AEC
NNl/'ge <\ ACC
7-o=E = GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
}=;>T)QmMO GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
&YT7>z, GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
gv[7h'}< M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
a ^)Mx9 M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
p fBO 5Ys ACC 10 .1 1
3 (5RUI- ACM 3 .1 1
btOTDqG`a ACA
@eT sS%f2 ASC
"{x~j \< END
|Lhz^5/ SNAP 0/DAMP 1.00000
]R4)FH|>< SYNOPSYS 100
Yi p9K[
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。 Q?a"uei[
GSEARCH输入如下： hx^a&"
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 xeI ,Kz."
GSEARCH 3 QUIET LOG X l/ G|jB9
g?>AY2f[5
SURF bg
HaheU
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 4*+ EUJ|
END ,g,jY]o
9iF e^^<ss
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； Nr[Rp
NAMES ！玻璃名称 k(
g$_ ]X
G G-ZF52 _"sRL} -Z
G D-FK61 M)J *Df0@
G H-ZF88 W1@;94Sb~
G H-F51 6 gKOpa
END ！以END结束 Pj.~|5gnf
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 oX}n"5o :
GO ！启动程序
EORRS P,$2 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
aydal 9M 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
NdNfai 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
s{k\1 P(G} k_a'a)`$6
