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
A"e4w? 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：
+\doF
图1 近红外镜头初始设计
z''ejq (*M* muk 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：
q+znb'i-x RLE ！读取镜头
|.4>#<$__ ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
mtg=v@ ~ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
uTdx`>M,O LOG 3119 ！日志编码
`fuQ t4 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 "ejsz&n APS 4 ！定义光阑面为表面4
SK 5_^4 NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
z`qb>Y"xf3 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
cP",szcY OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
Z%Pv,h'Q 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
S:K$fFcJ 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
fs l
ZJE 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
+/[L-&, 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
zviTGhA 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
EI9;J-c 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
iT;Ld $!{f 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
pO/vD~C> 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
5DpvMhc_ 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
p,V %wGM 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
ih|;H:"^ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
dB)-qL8,2 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
=P9Tc"2PN 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
!}5f{,.RO 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
_!_^B 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
qSDn 0^y 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
=r)LG,w212 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
? 'qyI^m@ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
W}y) vrL 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
No8-Hm 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
TCFr-*x 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
a/v]E]=qI 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
ZC%;5O` 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
{!j)j6(NY 8 TH 16.29978150
Kx?.g#>U; 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
BoQ%QV 69% 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
fP[S.7F+No END ！以END结束
FWB
*=.A9 ]WzeJ"r {3 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
- %0pYB YV _ 7 .+A
^D1gcI Dpwqg3,
由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
qqJghV$Oj 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。
#sg*GK+|:R rq^%)tR 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
em95ccs'- 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：
blWtC/!Aq; ySB0"bl
wMw}3qX$j 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
@U4hq7xzV2 n|pdYe8\
"hQGk 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
?K;l 5$?% 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。
z` YC3_d DSEARCH输入如下： 0Vrs bkS CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
${E^OE TIME ！计算程序运行时间
(/0dtJ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
'Hzc"<2Y\ SYSTEM ！透镜系统输入
0l4f%'f ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
-$k IVh 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
Q)y5'u qZ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
#?k</~s6M` UNITS MM ！透镜单位为毫米
m[(_fOd END ！以END结束，与SYSTEM呼应
7AS_Aw1L Vhh=GJ GOALS ！目标设置
9=j) g ELEMENTS 5 ！元件数为5
:h |]j[2p FNUM 1.428 ！F数为1.428
zRa2iCi BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
7p hf TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
ZDAW>H< STOP FIRST ！光阑面为表面1
} zS5o
[OE STOP FIX ！光阑面固定
g1?9ge 1 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
uO-|? {29 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
$ _,-ES I RSTART 300 ！起始半径为300mm
P;@j TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
Z:<an+v|5 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)；
Xtfs)" FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
DRR)mQBb FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Qclq^|O0 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
{; E6jw@ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
Cl9rJ oT GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
t1 U+7nM G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
A )4XQF END ！以END结束，与GOALS呼应
?pf r^
!@$ <YtjE!2 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)
5 2 Qr ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
"/RMIS
K[; ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
AD^I1 ]2f ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
'e' p`* ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
GB^ `A END ！以END结束，与AANT呼应
m(?{#aaq GO ！启动程序
iF Mf[qBg TIME ！计算时间
;9WUt,R r#2F k &Z9 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：
JB].ht z6l'v~\
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：
4p-"1 c$ I#M>b:"t e
pqb`g@
qB,0(I1-!
^9Cu?!xu0
相应的局部放大镜头结构
' fGKRd|) DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
jwAYlnQ^EM PANT
ypG*41 VLIST RD ALL
F[$cE VLIST TH ALL
e3W~6P END
1%*\*z
AANT P
rD4 umWi AEC
f+hHc8g ACC
^g|cRI_ " GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
8{/.1: GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
6
iM J 0 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
5qW>#pTFVV M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Jy% ? "wn M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
A"&<$5Q ACC 10 .1 1
ni%)a ACM 3 .1 1
>(ip-R ACA
xlJWCA*> ASC
&Q;sb I} END
~ =iH*AQR SNAP 0/DAMP 1.00000
CX{6 SYNOPSYS 100
Dqii60
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 D?"P\b[/
GSEARCH输入如下： .kg 3>*
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 <7F-WR/2n
GSEARCH 3 QUIET LOG <\ <o#Vq
B+U:=591
SURF ^7gKs2M
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 oC49c~`8
END 1u7D:h>#
|,:p[Oy
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 8$A0 q%n
NAMES ！玻璃名称 _Iav2= 0Wi
G G-ZF52 gee ~>l
G D-FK61 ?..BA&zRk
G H-ZF88 th[v"qD9G
G H-F51 t~j 6w sx;
END ！以END结束 UAhWJ$(C
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 mu@ J$\
GO ！启动程序
Hrvy I)4{ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
(~zu4^9w 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
` qs}L 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
;[R6rVHe{ `}#rcDK
