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
6Tn.56 X 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：
H_<X\(
图1 近红外镜头初始设计
f H/J8< 9$pQ|e0tJ 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
!Z* 2X
^ RLE ！读取镜头
|lOH
P A ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
#sK:q&/G` FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
[80L|?, * LOG 3119 ！日志编码
,dM}B- WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 .6m%/-whS APS 4 ！定义光阑面为表面4
y JJNr]oq NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
9fyJw1 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
ivKhzU+ OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
`$*cW1 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
INFbj8T 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
rG _T!']~ 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
<TL!iM 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
\/Z?QBFvz 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
n:-:LSa+3 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
I'M,p <B 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
#R<ErX)F 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
qd=&*? 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
:qbbo~U 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
1d4?+[)gUv 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
ahno$[ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
-Q6njt & 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
+O 2H":$ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
F|t3%dpj 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
2`XG"[@ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
gn>qd6P 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
IXaF(2> 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
[ / B $cH 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
hP1H/=~ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
mT@8( 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
z3V[
Vi 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
K/+Y9JP9 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
^{3,ok*Nf 8 TH 16.29978150
DdY89R 6 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
Z Sj[GI 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
&\Es \qVSf END ！以END结束
{ G:dhi UE2!,Z , 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
b '1n1L kf3 u',}R
G1t{a: |;XkU`G 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
dWhki|c 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
\G+ hi9T( "enGWI H 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
HAo f,* h$ 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：
n*UD0 U}` yHY \4OHS
|~ 'PEY 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。
z?NMQ8l|:6
Rt
&Oz!TQ
n&? --9r 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。
\uT2)X( N 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。
;<j[0~qp: DSEARCH输入如下： >}& :y{z~ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
IQ$cLr-S TIME ！计算程序运行时间
hRU.^Fn#% DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
v{/z`J!JR SYSTEM ！透镜系统输入
S ?ypka"L ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
oa4{s&d b- OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
f-lM[\ma_ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
nH6Ny UNITS MM ！透镜单位为毫米
:qfP>Ok END ！以END结束，与SYSTEM呼应
ak :Y<} JDTlzu1hR GOALS ！目标设置
%XX(x'^4 ELEMENTS 5 ！元件数为5
kj$Ks2!W FNUM 1.428 ！F数为1.428
xc4g`Xi BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
ZtS>'W8l TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
=l7@YCj5c STOP FIRST ！光阑面为表面1
kx6AMx!nX STOP FIX ！光阑面固定
v}v wk8 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
rb"J{^ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
M0+xl+c+ RSTART 300 ！起始半径为300mm
xSnkv,my< TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
ULqFJ*nla 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)；
4=BIYC"Lu FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
""0 cw FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
X+0+ }S GLASS POS ！正透镜玻璃类型
Rm i4ZPb. G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
36
&ghx GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
V7+fNr]I G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Owe"x2D\ END ！以END结束，与GOALS呼应
8 %eWB$<X %T~3xQ 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)
NNOemTh ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
T? 4pV# ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
^Z
dDs8j ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
25 NTtj:X ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
- rn%ASye END ！以END结束，与AANT呼应
$,@PY 5r GO ！启动程序
';>] 7oT` TIME ！计算时间
DJ zJ$Q DG%vEM,y 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：
9oe=*#Ig1m 0bl?dOV{
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：
|^S{vub QfdATK P
S.4gfY
,/oqLI\
WQJnWe
相应的局部放大镜头结构
{5GXN! f DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
jDWmI% Y. PANT
"!g}Q* VLIST RD ALL
HX) oN8 VLIST TH ALL
pXoD*o b END
4r+@7hnK AANT P
b.N$eJl Q& AEC
R [qfG!
" ACC
uK6'TJ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
43'!<[?x GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
3Fu5,H EJ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
fTq/9=Rq4 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
) z" .lw M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
rf ?\s/#OY ACC 10 .1 1
{Xjj- @ ACM 3 .1 1
SsY :gp_ ACA
prk@uYCa = ASC
^t 2b`n60 END
pO_$ 8=G+ SNAP 0/DAMP 1.00000
J,W<vrKOcN SYNOPSYS 100
z^FJ
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。 )/p=ZH0[
GSEARCH输入如下： iaV%*
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 Os rHA
GSEARCH 3 QUIET LOG ^b;3Jj
2FE13{+f
SURF +jPJv[W
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 X-_ $j KfM
END _+aMP=H
fe3a_gYPz
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； .7<6
zG6J
NAMES ！玻璃名称 _w.H]`C!X
G G-ZF52 pXhN? joe
G D-FK61 2gN78#d
G H-ZF88 75"&"*R/*G
G H-F51 ?!Wh ^su-
END ！以END结束 gb^<6BYUG
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 {Qf/.[
GO ！启动程序
JeXA *U# 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
yADX^r( 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Ai*+LSG 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
G'<Ie@$6l '44I}[cA/
