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
y57]q#k 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：
np3 $bqm
图1 近红外镜头初始设计
5N
"fD{v{ ,0 +%ji^V 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
"Y0:Y?Vz" RLE ！读取镜头
L".Qf|b* ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
,FR FH8p FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
PhBdm '
LOG 3119 ！日志编码
x/ D"a| WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 qj *IKS APS 4 ！定义光阑面为表面4
> w:+nG/r NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
4/ YEkD UNITS MM ！
透镜单位为毫米
\`?#V xz OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
8m,PsUp7 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
62lG,y_L 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
0sq?;~U 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
fFP>$ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
\Y.&G ,? 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
C"l_78 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
k8fvg4 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
)9'eckt 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
!u~h.DrvZ 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
n';"c;Ye) 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
;% "YA 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
&atT7m 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
=f'MiU!p6 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
<hlH@[7! 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
iC-WQkQY 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
K..L8# SC 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
DVCO(
fz 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
w?_y;&sbR 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
`L<f15][ 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
S%KY%hUt 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
n{vp& 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
i!
G^=N 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
W\09h Z6 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
I)$` @. 8 TH 16.29978150
*o]Q<S>lH 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
}`k >6B 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
gQy {OU END ！以END结束
_E q* ,arFR'u> 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：
QuFcc}{<] {2kw*^,l
WK7=z3mu LL,&!KW[S 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。
J ej P91 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。
ca>6r` ~d oOt 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
` P;fD /I 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：
$ijWwrh !>XG$-$`Z
d ; (&_; 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
*O')
{( ', -4o-
9G(.=aOj, 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
]'Y
vI! r 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
RB1c!h$u DSEARCH输入如下： P;jl!o$ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
dRg1 I=|{_ TIME ！计算程序运行时间
n"B"A ysz DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
arf`% 9M SYSTEM ！透镜系统输入
W-mi1l^H{ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
ahgm*Cpc 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
xR5jy|2JJ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
2^ 'X UNITS MM ！透镜单位为毫米
M7vc/E}]n END ！以END结束，与SYSTEM呼应
/7Z0| Zw] [~$Ji&Dd GOALS ！目标设置
M ,.++W\ ELEMENTS 5 ！元件数为5
]/;0 FNUM 1.428 ！F数为1.428
hg7`jE&2 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
f:L%th TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
42:~oKiQ$" STOP FIRST ！光阑面为表面1
vPuPSE%M STOP FIX ！光阑面固定
=8OPj cX.V NPASS 100 ！程序
优化次数为100
WE$Pi;q1 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
b6!?K!imT RSTART 300 ！起始半径为300mm
6L@g]f|Y@ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
,lm.~% }P* QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
:HhLc'1Jw FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
p1t9s
N, FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
P\bW k p0 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
vG WX= O G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
PQAN ,d GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
>*%ySlZbs G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
MNip; S_j END ！以END结束，与GOALS呼应
w2y{3O"p= jM1|+o*Wr SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
7V?]Qif~ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
Ni IX^&N1 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
7SYU^GD ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
2#'{Q4K ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
+GMM&6< END ！以END结束，与AANT呼应
6
)eO%M` GO ！启动程序
F;yq/e#Q TIME ！计算时间
OI B~ W J'tc5Ip!}V 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
b8)>:F reLYtv
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
gsuf d{{ 1fwCQM
PIP2( -{ai
Dw
bnLvJ]i)
相应的局部放大镜头结构
S* rgYe!E DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
J!%Yy\G PANT
Y1EN|!WZ VLIST RD ALL
~Bn#A kL VLIST TH ALL
C)`ZI8 END
1g{`1[.QO AANT P
n5"rSgUtE AEC
4\<[y ]pv ACC
tDFN
*#( GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
D8slSX`6j GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
nU%rSASu GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
[>&Nhn0 iY M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
_ ={*<E M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
@P+k7"f ACC 10 .1 1
2H fP$ . ACM 3 .1 1
\^SL Zhe ACA
Y>Q9? >}Q ASC
yd5r]6ej END
<||F$t SNAP 0/DAMP 1.00000
|{cdXbr SYNOPSYS 100
Hk8:7"4Q
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 bmna*!l ^M
GSEARCH输入如下： i>r4R z!
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 x_{ua0BLDf
GSEARCH 3 QUIET LOG MzYTEe& -L
N!m-gymmF
SURF IJO `"da
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 bG67TWY)
END
L+bO
X
t`+x5*g W
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； %yJL-6U
NAMES ！玻璃名称 9+h9]T:9
G G-ZF52 Ps Qq ^/
G D-FK61 3Gf^IV-
G H-ZF88 VkhZt7]K}B
G H-F51 "Q'#V!
END ！以END结束 u].=b$wHHM
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 #*#4vMk<
GO ！启动程序
6%C:k,Cx{d 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
D<5)i)J" 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
g}|a- 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
"R+
x xZPS oxu
