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
8"LvkN/v^ 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：
=5oE|F%
图1 近红外镜头初始设计
F.?^ko9d
b(I-0 < 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：
`3SY~&X RLE ！读取镜头
I/<aY*R4 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)
OCa74)( FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
7 \rz* LOG 3119 ！日志编码
C\j|+s WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 bB- >\ APS 4 ！定义光阑面为表面4
D^]7/w:$- NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
5< GC UNITS MM ！
透镜单位为毫米
7d]}BLpjWz OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
Im+<oZ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
PiM h]
0 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
ux& WN , 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
ib0M$Y1tIS 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
=m:xf&r# 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
T'
% TMA 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
,H2[["1DH 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
R^<li;Km 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
"Up3W%]SB 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
'mp@!@_
3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
0g,;Yzm 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
[DC8X P5 < 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
']4b}F : } 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
c]v $C&FX 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
y9{KBM%h 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
x?9rT 0D 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
D/' kYoAEO 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
X&8&NkH 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
?]]> WP 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
JQj?+PI 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
@Z& El:]3> 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
3' }(: X( 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
"G].hKgbk* 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
<La $'lG4J 8 TH 16.29978150
C}<j 8a? 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
(,
/`*GC 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
?{NP3
END ！以END结束
U$&G_&*0a 1N{ }G$'Go 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
6oMU) DIa eRKuy l
N_rz~$|@9 RSC^R}a5 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。
{?!=~vp 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。
J]yUjnQ[h dl mF?N|EC 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
XZD9vFj1Z 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: ]t9y>$< }:<`L\8q\
hO w 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
8/F}vf KEN E #q
gt9
kU{+@MA; 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
8yij=T* 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
r"sK@ DSEARCH输入如下： Q>Voa&tYn CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
2fFZ70Yh TIME ！计算程序运行时间
]r GZ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
:,Z'/e0& SYSTEM ！透镜系统输入
;rXkU9 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
%Hx8%G! OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
xucrp::g WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
*(wkgn UNITS MM ！透镜单位为毫米
ecaEWIOG END ！以END结束，与SYSTEM呼应
oS6dcJHf & mwQj<Z GOALS ！目标设置
O{b<UP'85 ELEMENTS 5 ！元件数为5
N3dS%F,_ FNUM 1.428 ！F数为1.428
< %@e<,8 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Wi7!J[ B TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
ZeM~13[ STOP FIRST ！光阑面为表面1
HYU-F_|N=
STOP FIX ！光阑面固定
%3b;`Oa NPASS 100 ！程序
优化次数为100
T'_#Dwmj* ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
9<0TF+}> RSTART 300 ！起始半径为300mm
R9XISsM^ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
[A~n=m5H QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
" kp+1 sG8 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
?+Gc. lU FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
&! i'Q;q GLASS POS ！正透镜玻璃类型
1g_p`( G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
)S?. YCv? GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
SB~HHx09 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
m8M2k a END ！以END结束，与GOALS呼应
1i=l Jmr 5i71@?q; SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
<"/b 5kc ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
QIl=Ho"c ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
9dS <^E(ZF ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
CCoT ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
qZQB"Q.* END ！以END结束，与AANT呼应
?e=3G4N GO ！启动程序
55O_b)$ TIME ！计算时间
)R
%>g-dw a |}v?z\ 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：
^ .3(o{g JG ^fu*K
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：
.X1xpi% <S[]VXy
;]gj:6M
+"} #4
<TN+-)H6
相应的局部放大镜头结构
uwI$t[ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Z$*m=]2 PANT
8O^< #lh VLIST RD ALL
! 2=m
|, VLIST TH ALL
O Qnb^fabY END
=;L44.,g AANT P
Q*jNJ^IW AEC
N[=c|frho ACC
gn-@OmIs GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
3M^s
EaUI GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
}BYs.$7 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
idzc4jR6BT M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
x*'2% 3C~ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Mi^/`1 ACC 10 .1 1
wXR7Ifrv ACM 3 .1 1
#'y4UN ACA
5,_DM
ASC
R6m6bsZ` END
R) ep1X^ SNAP 0/DAMP 1.00000
Wf!u?nH.5 SYNOPSYS 100
S7B\m v
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 to9X2^
GSEARCH输入如下： tUGn p'r
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 Q]1s*P
GSEARCH 3 QUIET LOG
Cl>|*h+m
q2+`a;_S
SURF sgLw,WZ:
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 `g}po%k
END ptQCqQ1_d
#fVk;]u`[3
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 9P1!<6mN\
NAMES ！玻璃名称 zhZ!!b^6<
G G-ZF52 H |%'$oWp
G D-FK61 dBm!`;r4
G H-ZF88 uqHI /4
G H-F51 1xTNrLW
END ！以END结束 BA IR!
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 gmUX
2x(
GO ！启动程序
g 0-~ %A, 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
<SKzCp\ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
e;8nujdG" 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
*<ILS Z [QDM_ n
