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
89?$xm _m 现有的近红外镜头设计文件为1.RLE，其保存路径为C:\Synopsys\Dbook\。我们首先选择该路径，然后在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>FETCH 1,点击‘Enter’键。再在CW中输入：SYNOPSYS AI>PAD,点击‘Enter’键。这样，即可获得近红外镜头初始设计结构，如图1所示：
^(r?k_i/
图1 近红外镜头初始设计
?KDI'>"-v CXwDG_e 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
iqW
T<WY RLE ！读取镜头
Ew~piuj ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
CA, &R <] FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
RoFy2A=_ LOG 3119 ！日志编码
TL lR"L5 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 n.Iu|,?q APS 4 ！定义光阑面为表面4
zc%#7"FM NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
{ AdPC?R` UNITS MM ！
透镜单位为毫米
) ,1MR= OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
df; -E 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
R s_bM@ 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
&_n~# Mex 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
maW,YOyRN 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
4RTuy+
M 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
</(bwc~2 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
G'T/I\tB 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
q|xJ)[AO 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
-*t4(wT|j 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
ZbD_AP 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
ve;#o< 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
t= J WD2 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
eAR]~
NiW 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
H}5zKv.T 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
~Q}JC3f> 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
+dIDFSd 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
{W*_^>;K 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
L8s HG$[ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
aUUr&yf_L 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
?$ T! = e" 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
6fV%[. RR 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
7) aitDD 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
'S]7:/CI 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
6Tjj++b(* 8 TH 16.29978150
h.+{cOA;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
<J" 7ufHSQ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
%v
0 I;t END ！以END结束
Wm! lWQ u7 UZ#Yd|'PD 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：
4Rj;lA lwB j}}:&>;
)* 5R /oy, Q[?O+ 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。
NGZEUtj 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。
ti$d.Kc( owHV&(Go(B 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
aD)XxXwozm 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：
-ZwQL="t 6M^P]l
W3K&C[f 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。
49.
@Uzo >; a_i>[
1UG5Q- 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。
J?4aSssE 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。
]r++YIg!j DSEARCH输入如下： hwg LJY? CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
sDNV_}
h TIME ！计算程序运行时间
|Yq0zc! DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
6;"^Id SYSTEM ！透镜系统输入
<k'JhMwN ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
{@j 0?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
"]*16t%Z%x WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
m2&"}bI{ UNITS MM ！透镜单位为毫米
5cLq6[uO END ！以END结束，与SYSTEM呼应
l -|hvv5g ia=eFW t. GOALS ！目标设置
%g1{ nGah ELEMENTS 5 ！元件数为5
AL*P 2 \8 FNUM 1.428 ！F数为1.428
I{>U 7i
5 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
(Ic{C5' TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
Ut"~I)S{LT STOP FIRST ！光阑面为表面1
$x_6
.AOZ, STOP FIX ！光阑面固定
"XQ j ~L NPASS 100 ！程序
优化次数为100
dMkDNaH, ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Y4E UW% RSTART 300 ！起始半径为300mm
xDtq@Rb} TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
QUa_gYp0v QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
N ~I2~f FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
pPr/r& r FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
fa#xEWaFr GLASS POS ！正透镜玻璃类型
]WZ_~8 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
| 0!oSNJ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
"$)Nd+ny G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
nsO! END ！以END结束，与GOALS呼应
:|%dV}j k&Z3v. 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)
p4} ,xQzB ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
_3_d;j#G U ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
BLc&q) ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
M D ETAd ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
c*0pF=3 END ！以END结束，与AANT呼应
o80?B ~o GO ！启动程序
t{)Z$ )' TIME ！计算时间
w7n6@"q j9)WInYc: 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：
Be?b|
G!M &S\q*H=}i
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：
b-sbR R v9Kx`{1L
^A9D;e6!-
^a 9v5hu
X6_m&~}15
相应的局部放大镜头结构
%<^B\|d'? DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
UsT+o PANT
$i#
1<Qj VLIST RD ALL
%;5AF8# c VLIST TH ALL
S;0,UgB1 END
SSi-Z AANT P
UclQo~ 3 AEC
U}9B
wr^ ACC
^4jIT1 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
X^L)5n+$X GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
uXx c2} GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
-b1VY4m- M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
>3R %GNw M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
+AP f[ZpU ACC 10 .1 1
3hzI6otKS ACM 3 .1 1
jY.iQBhjEB ACA
R-v99e iN ASC
&r0b~RwUv END
iUcDj: SNAP 0/DAMP 1.00000
5o2W[< %v SYNOPSYS 100
aBV{Xr~#(
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。 d,"?tip/SX
GSEARCH输入如下： .gmNE$d
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 vo'=d"zm
GSEARCH 3 QUIET LOG JXR_klx
aOWE\I c8
SURF J{98x zb
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 JaC
=\\B
END &p\fdR4e
+-=o16*{ !
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； idL6 *%M
NAMES ！玻璃名称 [K2\e N~g
G G-ZF52 ]6wo] nV[P
G D-FK61 }m6zu'CV
G H-ZF88 (h8M
G H-F51 5 w:
END ！以END结束 2 {t i])
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 <|= U rG
GO ！启动程序
2i+'?.P 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
-7_`6U2" 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
x"kc:F 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
Lb# e zh2gU@"
