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
jL:GP}I= 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：
rch Kr w
图1 近红外镜头初始设计
uS5ADh N$<R6DU]K 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
<4.j] BE RLE ！读取镜头
p4z
thdN[ ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
HD>UTX`&mc FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Gw +pjSJL` LOG 3119 ！日志编码
r)[Xzn WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 Er<!8;{?
APS 4 ！定义光阑面为表面4
!iU$-/,1 e 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
:rEZR ` UNITS MM ！
透镜单位为毫米
OF O,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
y`8jz,&. 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
c2fw;)j&X 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
!Mj28 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
8 Bx58$xRq 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
q)OCY}QA 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
YGOhUT | 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
Z~ u 3{ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
@81N{tg- 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
kp^q }iS 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
=&WH9IKz 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
JHg
y&/ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
m`Pk )c 0 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
?{wD%58^oG 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
DJ|lel/' 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
T
(?
CDc+ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
,z`* 1b8 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
!J A//{? 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
P
4+}<5 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
yBfX4aH:` 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
e;9x%kNs! 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
R_Z 9aQ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
4X5KrecNr 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
!EGpI@ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
D Y1"t7
9E 8 TH 16.29978150
@]dv 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
=-/sB>-C 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
lg*?w/JX+ END ！以END结束
I6PReVIb # {@qC2!2/ 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：
=A(Az sCE%./h]
W6V((84(O b fI= = 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。
>S]"-0tGD= 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。
+HlZ ?1g )C0d*T 0i 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
|mT1\O2a 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：
p;~oIy\, x; A.Ll
w|61dB 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。
Cm9#FA HF*j=qt!
h;):TFiC 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。
>.-4CJ])d 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。
-?NAA]P5c@ DSEARCH输入如下： ^7YZ>^ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
'l_F@ZO{( TIME ！计算程序运行时间
'3xK1Am DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
g nw">H SYSTEM ！透镜系统输入
9 *VL | ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
v1=N?8Hz1 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
sW76RKX8 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
Hp[i8PJ UNITS MM ！透镜单位为毫米
b(t8TR#- END ！以END结束，与SYSTEM呼应
;9' ] na FT!X r GOALS ！目标设置
IUz`\BO4 ELEMENTS 5 ！元件数为5
!\cVe;<r FNUM 1.428 ！F数为1.428
k+~2
vmS BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
k}!'@ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
BDLJDyf B STOP FIRST ！光阑面为表面1
I8k+Rk * STOP FIX ！光阑面固定
6VLo4bq 5
NPASS 100 ！程序
优化次数为100
LuVL <W ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
j{6O:d6([$ RSTART 300 ！起始半径为300mm
ll*Ez"
TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
V>c !V9w 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)；
yw{r:fy FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
1'|gxYT FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
B qLL]%F GLASS POS ！正透镜玻璃类型
gH*( 1* G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
XW~ a4If GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Y7;=\/SV G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
x<PJ5G L END ！以END结束，与GOALS呼应
yT[=!M plpb4>
S 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)
> ByqM{? ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
< r
m)c. ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
c/V0AKkS
8 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
u#NX`_ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
z L9:e7o END ！以END结束，与AANT呼应
M>xT\ GO ！启动程序
IkO [R1K TIME ！计算时间
J0B*V0'zR N :~4>p44[ 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：
dA <_`GFR $F NH:r<
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
E&f/*V^ x=kJl GT
5&xbGEP$
O%w'n z"
b1QHZY\g{
相应的局部放大镜头结构
U>@AE DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
%evtIU<h PANT
4 p%^?L? VLIST RD ALL
VF g(: VLIST TH ALL
8dC RSU END
/IF?|71,m AANT P
tH#t8Tq5x AEC
5rmQ:8_5 ACC
r! [Qpb-: GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
l
dp$jrNLr GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
=woP~+ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
/F6"uZSt4 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
q_9 8=fyE6 M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Q<KF<K'0hg ACC 10 .1 1
f4&;l|R0a ACM 3 .1 1
?FwHqyFVlQ ACA
GVfRy@7n ASC
%e)? Mem END
Rt5pl,Nf SNAP 0/DAMP 1.00000
eu":\ks SYNOPSYS 100
<":83RCS
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 hT `& Xb
GSEARCH输入如下： b"nkF\P@Fj
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 C ](djkA$
GSEARCH 3 QUIET LOG wQ [!~>A
9+/D\|"{
SURF \HG4i/V:h
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 1_l)$"
END / a)^)
N(3Bzd)
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 'Gamb+[
NAMES ！玻璃名称 PZO.$'L|7
G G-ZF52 5evk _f
G D-FK61 t=|}?lN<
G H-ZF88 _~*j=XR s
G H-F51 L\5:od[EP
END ！以END结束 y dj*Jy'
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 b80 &${v
GO ！启动程序
W39J)~D^@ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Z^=(9 : 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
a .?AniB0 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
[:q J1^U U L C$M_Cpw
