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
j}}as 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：
!8
l &%
图1 近红外镜头初始设计
nH?#_ 5F1 ? R[GSS1 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：
sx[mbKj< RLE ！读取镜头
M@. 2b. 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)
$ JCOL FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Ln h'y `q LOG 3119 ！日志编码
cE, ,9M@^ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长
@[$q1Nm APS 4 ！定义光阑面为表面4
>Zm|R|{BE NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
8"wavh|g4 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
Z2]\k|%<Fa OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
f0{ tBD!% 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Y pSK |( 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
v~!_DD
au 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
8Sf}z@~] 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
9Pm|a~[m
1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
R|O^7o 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
]INt9Pvqm 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
!*k'3r KOW 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
XPi 5E" 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
?,Wm|xY 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
kkT=g^D9j 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
m FC9\
3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Pf<BQ*n 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
_> {"vY 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
&xFs0R i( 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
2Nx#:Rz 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
bFIv}c+; 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
l2
#^}- 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
u&Xn#f h 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
7I@@} A 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
2ZMVYa2%( 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
!?{%9 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
5[+E?4,& 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
XXW.U ios 8 TH 16.29978150
Bp= BRl 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
sGbk4g 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
BMbZ34^e END ！以END结束
<;E>1*K}8 Wl>$<D4mO[ 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：
K./L'Me rEs Gf+4
.t%` "C 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。
;u?H# \J, 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。
0\Myhh~DLE V7Mp<x% 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
\8 -PCD 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=] l$!g# ?w
wArtg'=X 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
BxXP]od 8IihG
\
0o&c8?@j 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
[Y Q` ` 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
'ul~f$
V DSEARCH输入如下： @I0[B<,:G CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
E{Y) = tW[ TIME ！计算程序运行时间
9y&&6r<I DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
,OaPrAt- SYSTEM ！透镜系统输入
}?z_sNrDk ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
3ES3, uR 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
Ru^j ~Cj5 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
}^3ICwzm UNITS MM ！透镜单位为毫米
iN@+,]Yjl END ！以END结束，与SYSTEM呼应
w }QU;rl8q f{u3RCfX~2 GOALS ！目标设置
!T8 h+3 I ELEMENTS 5 ！元件数为5
km# Rh^ FNUM 1.428 ！F数为1.428
:k.C|V!W BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
}Dc?Emb TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
`!iVMTp STOP FIRST ！光阑面为表面1
O'<cEv'B* STOP FIX ！光阑面固定
n42X qR NPASS 100 ！程序
优化次数为100
hNJubTSE+) ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Lr` G . e RSTART 300 ！起始半径为300mm
Ax;i;<md TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
R d{#cW~ 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)；
ax+P) yz FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
V 9i[ dF FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
$X:r&7t+Q[ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
h$y0>eMWs G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
YF<;s^&@u GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
/MQ I5Djg G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
a6fqtkZ x END ！以END结束，与GOALS呼应
`(7HFq<N F`\7&'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)
/5c;,.hm1R ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
^( 8(z@y ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
\a6 knd ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
]@MBE1M ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
atO/Tp END ！以END结束，与AANT呼应
w- .= u3 GO ！启动程序
B Ji TIME ！计算时间
K1K3s< y+ BVpRkUC" 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：
}TS4D={1 tv1Z%Mx?Cp
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：
K 6Gri>Um tu6Q7CjW8
g5*Zg _G/
7 Ed6o
|
D jgm7$*
相应的局部放大镜头结构
9e|]H+y DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
^K K6 d PANT
^SouA[ VLIST RD ALL
.(8sa8{N VLIST TH ALL
m
pWmExQ END
p kR+H| AANT P
*[eh0$ AEC
naT;K0T= ACC
bQ" w%! GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
XfXqq[ \N GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
MH>CCT GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
i$A0_ZJKjZ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
.WR+)^&zz M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
)NwIEk>Tf ACC 10 .1 1
<d\Lvo[ ACM 3 .1 1
9 aE!!
(E ACA
rU /V ~;#% ASC
Q( C\X END
K)AJx" SNAP 0/DAMP 1.00000
=2z9Aq{ SYNOPSYS 100
il \q{Y
o
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。 av&4:O!
GSEARCH输入如下： Cku&s
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 X=<-rFW
GSEARCH 3 QUIET LOG $~V,.RD
gt9 {u"o
SURF i$Q$y
hT{
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 B!=JRf T
END A PgP* ,
Dwq }O
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； R~$W
NAMES ！玻璃名称 l0m\ 2Ttf
G G-ZF52 S1< m O-
G D-FK61 j7vp@l6`L
G H-ZF88 eUyQS I4A
G H-F51 n_Ht{2I
END ！以END结束 `JGV3nN
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 38wt=0br
GO ！启动程序
H }OOkzwrA 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
5V5E,2+
0 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
s^X(G!V{c 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
W?a2P6mAh HeagT(rN'
