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
N<lO!x1[H* 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：
DeTx7 i0 图1 近红外镜头初始设计
bn b:4?d] %Y7\0q~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：
T( UPWsj RLE ！读取镜头
U8+5{,$\. 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)
=BN_Kvza^6 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
bT^6AtsJ LOG 3119 ！日志编码
SLyeonM-C WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 [ &cCE APS 4 ！定义光阑面为表面4
5.KhI <[ 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
95
7Cr UNITS MM ！
透镜单位为毫米
7q2G/_ 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
8ug\GlZc 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
oDtg B O< 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
.d) X.cO 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
n*UD0 U}` 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
yHY \4OHS 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
|~ 'PEY 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
z?NMQ8l|:6 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
Rt
&Oz!TQ 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
IkzY 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
\uT2)X( N 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
;<j[0~qp: 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
Y7TW_[_u 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
r5h+_&v,M 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
`Ap<xT0H 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
YueYa#7z 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
f@3 ?kM( 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
8|5ttdZ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
F }/t V 7m 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
WInfn f+' 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
Y[=X b 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
: MfY8P) 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
op\'T;xIu 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
P;.j5P^j` 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
Hs}3c
R} 8 TH 16.29978150
N:"S/G>r ; 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
6:Fb>|]*PY 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
- '<K_e; END ！以END结束
ZCP
r`H /I`A wCx 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：
= ;hz,+ 
, ".1! [b 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。
q5@N//<DNN 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。
JDp"!x{O [{}Hk%wlX 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
(KHO'QNMt^ 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：
'T!^H 
iJ&*H)}^ 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。
)=~OP>7B 
Yo 0wufbfV 16J" QUuG 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。
mE|?0mRA % 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。
Z1 7=g@ DSEARCH输入如下： thT2U8%T CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
aR- ?t14 TIME ！计算程序运行时间
0Yzm\"Ggv DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
;r H< SYSTEM ！透镜系统输入
U ]o ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
bd S 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
YadG05PDe WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
@%aU)YDwi UNITS MM ！透镜单位为毫米
+4*3aWf` END ！以END结束，与SYSTEM呼应
CXI%8eFXe$
W 'w{}| GOALS ！目标设置
^~
95q0hq: ELEMENTS 5 ！元件数为5
_Se0,Uns FNUM 1.428 ！F数为1.428
PVC Fh$pnw BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
9;ZaL7> TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
[>IV#6 $ STOP FIRST ！光阑面为表面1
]!um}8!} STOP FIX ！光阑面固定
tL>c@w#P v NPASS 100 ！程序
优化次数为100
"j 2th. ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
[3@Pu.-I+M RSTART 300 ！起始半径为300mm
bgk+PQ#S- TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
;2k!KW@ 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)；
_A>?@3La9 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
s*g`| E{M FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
(C3:_cM 5 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
;4MC/Q / G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
A$ 7j B4 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
sB~ |V
< G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
P]~apMi: END ！以END结束，与GOALS呼应
762c`aP_( (XU( 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)
e|-%-juI ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
iAl.(j ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
f>!H<4
] ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
'vP"& l rn ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
hFQ*50n} END ！以END结束，与AANT呼应
at
)m* GO ！启动程序
PwC9@c%c TIME ！计算时间
)8Q;u8jm1 x+Ws lN 2a 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：
~WW!P_wI, 
+~7x+ 6 E 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：
p0|PVn.^h 
5qL ;@Y )8JfBzR
y),yks?iv <Od5}
相应的局部放大镜头结构
)Y](Mj!D DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
v;WfcpWq2 PANT
JeXA *U# VLIST RD ALL
yADX^r( VLIST TH ALL
[.Y]f.D END
2Kmnt(> AANT P
%W 8*vSbx AEC
o G$OZTc ACC
U>-GM > GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
N ?{.}-Q GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
e#<A\? GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
O:{N5+HVG M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
tt0 3 gU` M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
;u hpo ACC 10 .1 1
sDZ<X A ACM 3 .1 1
5L 0w!q'W ACA
r}4 ASC
bCg)PJuB END
3-T"[tCe SNAP 0/DAMP 1.00000
GTocN1,Z~a SYNOPSYS 100
qCI 0[U@
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。 >h9T/J8
GSEARCH输入如下： ~5;2 ni8n
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 2~ y<l
GSEARCH 3 QUIET LOG "+Kp8n6
[NU@A >H
SURF sHPK8Wsg
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 5?34<B
END %%{f-\-7Ig
cR6Rb[9 N
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； k fY 0u
NAMES ！玻璃名称 g?gF*^_0
G G-ZF52 K9_@ [}Ge
G D-FK61 ] ]lN[J
G H-ZF88 J93@\b
G H-F51 +ZJ1> n
END ！以END结束 [l *;+N+
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 iTVepYv4m
GO ！启动程序
``, q[| 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Vif)e4{Pn 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
{ O_`eS 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
A(1WQUu j 
bqwn_=.
