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
FP<RoA? W 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：
9XWF&6w6yf
图1 近红外镜头初始设计
o_&.R 6 G X'&z 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：
^@l_K +T RLE ！读取镜头
rubqk4 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)
#n %?} FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
>SpXB:wx LOG 3119 ！日志编码
q88p~Ccoa WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 HRIf)n&~f APS 4 ！定义光阑面为表面4
zMs]9o 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
vLR)B@O,2 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
y@]4xLB] 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
IcZ_AIjlk 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
o_/C9[: 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
ONJW*!( 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
vM~/|)^0sW 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
s([9 /ED 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
C&D]!Zv F 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
Y<3 s_ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
+JZ<9,4 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
ju0]~, 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
6;Cr92 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
M ['25[ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
'j#oMA{0 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
r Mx st 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
d hiLv_ / 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
HP|,AmVLl 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
a8M.EFa: 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
D}"\nCz}y& 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
;Fc djy 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
<kn#`w1U' 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
Q nZR 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
~] Mq' 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
^i&Qr+v 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
.6!]RA5!= 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
9 UOx ~Ty 8 TH 16.29978150
lnbw-IE! 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
O8SX#,3^} 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
^*C6]*C}te END ！以END结束
"A__z|sQ V)R-w` 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：
\|R`wFn^P ]=9%fA
@SPmb o W#e:r z8= 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。
6`NsX 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。
BdUhFN* ig; ~
T 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
R.A}tV=j# 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：
0'^? m$ 9^0 'VRG
.)|jBC8|} 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。
*bn9j>|iv h1fJ`WT6,
%'\D _W& 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。
5
W(iU 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。
DBCL+QHA DSEARCH输入如下： ] 5P{* CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
|Y(]. G, TIME ！计算程序运行时间
1>a^Q DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Uvf-h4^J]: SYSTEM ！透镜系统输入
C'n 9n!hR ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
( 4ow0} 1 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
a9QaF s" WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
PG<N\ UNITS MM ！透镜单位为毫米
n$`Nx\ v END ！以END结束，与SYSTEM呼应
1Od: I}@ _?kf9 . GOALS ！目标设置
q,u >`]} ELEMENTS 5 ！元件数为5
-rH4/Iby FNUM 1.428 ！F数为1.428
fhH* R*4 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
2:p2u1Q
O TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
b${Kj3( STOP FIRST ！光阑面为表面1
pe , c STOP FIX ！光阑面固定
'U1r}.+b> NPASS 100 ！程序
优化次数为100
h^hEyrJw
ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
]-x#zp;= RSTART 300 ！起始半径为300mm
9-Ib+/R0 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
% Pa-fee 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)；
Crpk q/ M FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
Om}&`AP}; FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
"45BOw&72G GLASS POS ！正透镜玻璃类型
i":-g"d G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
F,:F9r?l,H GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
e1<28g G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
iZSj T"l^ END ！以END结束，与GOALS呼应
c
| C12b[ 'c &Bmd40 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)
pQVi&( M ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
J8b]*2D ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
ni%^w(J3Q ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
"A/kL@ -C ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
T7W+K7kbI END ！以END结束，与AANT呼应
? erDP8 GO ！启动程序
"X]u fZ7 TIME ！计算时间
FswFY7
8 x,7a xx6 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：
`J-"S<c?_ p{-1%jQ}]
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：
|(P>'fat-p ]iz5VI@
(|6q N
j zPC9
DV%t by
相应的局部放大镜头结构
H/, tE0ZV DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
fmSw%r|pT PANT
/(}V!0\? VLIST RD ALL
TTOd0a VLIST TH ALL
omRd'\ RO END
qp{NRNkQ AANT P
d>AVUf<o~ AEC
2l!"OiB. P ACC
`8y & GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
=
Oq; GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
6u.b?_u GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
u j:w^t ][ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
u8W*_;%: M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
72{kig9c ACC 10 .1 1
D8dTw {C ACM 3 .1 1
VJ$C)0xQA ACA
a Ifog+Lp ASC
{:oZ&y)Ac END
M ,#t7~t SNAP 0/DAMP 1.00000
,\ qo SYNOPSYS 100
A>4k4*aFm#
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。 PO}Q8Q3
GSEARCH输入如下： 1L9^N
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 +}Q4 g]M8
GSEARCH 3 QUIET LOG 4]+ ^K`
\E#r[9F{
SURF 4sJx_Qi
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 ,v6Jr3
END Wh<lmC50(
O%)9t FT
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； Y7jD:P
NAMES ！玻璃名称 F9c2JBOM
G G-ZF52 $}F]pa[
G D-FK61 [n}c}%
G H-ZF88 b\+|g9Tm
G H-F51 yf8UfB#a
END ！以END结束 XWvs~Xw@
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 G|MDo|q]
GO ！启动程序
$yc,D=*Isi 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
C= m Y 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
pvM8PlYo]` 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
d,[K cX Xo*$|9[.
