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
H |8vW 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：
}#~@H M>6Z
图1 近红外镜头初始设计
6<0-GD}M 9_Tk8L# 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：
VsS. \ 1 RLE ！读取镜头
9>~UqP9 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)
g7*c wu FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
&t)dE7u5 LOG 3119 ！日志编码
tln*Baq WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 .5=Qf vi* APS 4 ！定义光阑面为表面4
c%1 <O!c 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
Q*wub9 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
GE4d=;5 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
|k5uVhN 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
zA+&V7bvy 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
' k~'aZ 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
Qx,?v|Xg 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
s8w7/ *<d 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
gs;3NW 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
c +Pg[1- 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
# Sfz^
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
i<<NKv8; 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
cJ9:XWW 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
HfN-WYiR 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
kIS&! V 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Xh==F: 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Id8^6FLw 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
S-^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
I!bzvPJ]xc 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
vn;_|NeSf 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
mo%9UL,#W 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
3UeG>5R 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
"B`yk/GM] 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
y7M" Dr%t^ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
w
<zO 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
=\s(v-8 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
=x
"N 0p 8 TH 16.29978150
M7vc/E}]n 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
KA:>7- 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
:CEhc7gU END ！以END结束
M ,.++W\ ]/;0 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：
hg7`jE&2 f:L%th
42:~oKiQ$" vPuPSE%M 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。
=8OPj cX.V 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。
.Ajs0 T2 Nt 42v 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
(n7 v $A 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
GCul6,w T 1m097
eN]0]9JO 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
1fRYXqx _$/(l4\T[
y I \ 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。
k^I4z^O=-; 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。
xy `aR< L DSEARCH输入如下： (1\!6 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
cw#p!mOi~ TIME ！计算程序运行时间
Mj5=t:MI DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
-)@DH;[tb SYSTEM ！透镜系统输入
w#_xV
= ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
.(Q3 M0.D 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
88Yp0T<1 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
R:YX{Tq UNITS MM ！透镜单位为毫米
30]?Jz6m END ！以END结束，与SYSTEM呼应
ry}CND(nB * EOIgQp GOALS ！目标设置
>69xl^Gd ELEMENTS 5 ！元件数为5
}_}C ^ FNUM 1.428 ！F数为1.428
M9*7r\hqYV BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
pc}Q_~e TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
e $QX?y . STOP FIRST ！光阑面为表面1
X
tZ0z? STOP FIX ！光阑面固定
Bn*D<<{T NPASS 100 ！程序
优化次数为100
&k(t_~m> ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
W|~Lmdzj RSTART 300 ！起始半径为300mm
zllY $V&<! TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
~=(?Z2UDA_ QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
]q L#/ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
?1}1uJMj- FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
}K9 V r! GLASS POS ！正透镜玻璃类型
{y=H49 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
{6'5K
U*RH GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
:
:8UVLX G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
{c|nIwdB END ！以END结束，与GOALS呼应
>
taT;[Oa ]hTYh^' e SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
x,
a[ p\1 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
rs2~spN;h ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
ga^O]yK ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
[qlq& ?" ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
YML o~j4J END ！以END结束，与AANT呼应
0w Xfu"E{ GO ！启动程序
\tLJ( <8 TIME ！计算时间
By6C+)up ?rXh
x{vD
在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
wIuwq> y!GjC]/
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
z.oDH<1 s@
m
A\
S(mJ;C
Wcn3\v6_
z^I"{eT8
相应的局部放大镜头结构
hFuS>Hx DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Sj(uc# PANT
)r uC_) VLIST RD ALL
G+AD
&EHV VLIST TH ALL
o\h[K<^>) END
'(Uyju= AANT P
n@{fqj AEC
fm87?RgXD ACC
e V^ @kI4 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
+[`N|x< GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
PTIC2 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
, %mTKOs M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
lYT}Nc4"=" M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
-N ^}1^gA ACC 10 .1 1
8qp!S1Qnv ACM 3 .1 1
(qlI QC ACA
e{U`^ao`F8 ASC
*RUB`tEL END
8, =Ti 7_ SNAP 0/DAMP 1.00000
IyIh0B~i SYNOPSYS 100
Yi &;4vC
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 TbU\qcm]]
GSEARCH输入如下： B o.x
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 \`jFy[(Pa'
GSEARCH 3 QUIET LOG lZV]Z3=p'0
6Z
~>d;&9
SURF !V$nU8p|
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 jii2gtu'U
END *Zy IbT
G{}E~jDi?
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； Bq P:]
NAMES ！玻璃名称 KMhoG.$Ra
G G-ZF52 2V / A%
G D-FK61 ^v*ajy.>
G H-ZF88 -aLBj?N c[
G H-F51 M:6H%6eT
END ！以END结束 yfiRMN"2
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 +che Lc
GO ！启动程序
_a8^AG 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
IE: x&q`3 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
X}0NeG^'O 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
o DPs xw %;^[WT`,
