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
otH[?c?BT 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：
U1!2nJ] 图1 近红外镜头初始设计
c^)E:J/ P<JkRX 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：
CJ tjn RLE ！读取镜头
^8*SCM_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)
_3G)S+ 7# FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Y+`-~ 88 LOG 3119 ！日志编码
{)gd|JV * WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 OQ&D?2r APS 4 ！定义光阑面为表面4
JEF7hJz~ 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
3b[ +m}UWQ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
U\ E{-7 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
12' (MAP 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
3$y L+%i 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
\bQ!> l\ 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
G$`4.,g 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
?BvI /H5d 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
YYr&r.6 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
F j('l 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
o9d$
4s@/ 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
bYB}A : 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
7b%Cl
3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
GJ_)Cl+5E 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
EA E\Xv 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
[ .uaO 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
>MY.Fr#.m 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
K 0H!Ds9 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
iT9Ex9RL 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
f>/ 1KV 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
C|@k+^S 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
{u6fa>R&$ 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
xt0j9{ p 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
%FFm[[nxI 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
gH55c aF< 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
;C3?Ic 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
JwVC?m). 8 TH 16.29978150
SWd[iD 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~4~! 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
w} q@VVB% END ！以END结束
NG!Q< !Y f qs p1m$ 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：
Wc>)/y5$ 
6="&K _Q7 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。
)stWr r& 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。
#R4KBXN Jxw:Jk
~ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
CHP6H}#|g 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：
cNc _
n<M 
A0u:Fm{E 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。
|L{dQ)-'l 
k 0Yixa ; 2-kQK9 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。
;-^9j)31+F 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。
gdY/RD xn: DSEARCH输入如下： !Qa7- CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
\9zC?Cw TIME ！计算程序运行时间
bY$! "b~ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
T-i]O *u SYSTEM ！透镜系统输入
iPpJ`i#@+ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
f_XCO=8'v OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
^V]DY!@k3_ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
oHnpw U UNITS MM ！透镜单位为毫米
_'p;V[ (+M END ！以END结束，与SYSTEM呼应
%k)I =| Gn4b\ y%% GOALS ！目标设置
1A.\Ao ELEMENTS 5 ！元件数为5
# |[@Due FNUM 1.428 ！F数为1.428
' qS!n BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Utp\}0GZY TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
S` @*zQ STOP FIRST ！光阑面为表面1
Vs"Q-? STOP FIX ！光阑面固定
wVtBeZa NPASS 100 ！程序
优化次数为100
!iOu07<n&D ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
7gaC)j& RSTART 300 ！起始半径为300mm
Kp;o?5H TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
[_1G\z_iE QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
JdEb_ c3S FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
2F7R,rr
FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
@$G
K<jl GLASS POS ！正透镜玻璃类型
(@ sKE G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
uB5o
Ghu- GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
1bs95Fh9Q G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
<sOB j' END ！以END结束，与GOALS呼应
'8
#* U k"zHrn"$ 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)
f` J"A: ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
r :-WfDz. ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
a9Rh ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
^o:5B%}#[ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
QLl44*@ END ！以END结束，与AANT呼应
,1L^#?Q~ GO ！启动程序
J1t?Qj;f3 TIME ！计算时间
H/f=
2b S/jHyJ, 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：
li^E$9 oWC 
A???s,F_ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
XW:(FzF 
GssoT<Y)Z g' E^@1{
9 x<
8(]\ Elx bHQj6
相应的局部放大镜头结构
2c]O Mtk DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
P nvLXE}F PANT
K)ib{V( 50 VLIST RD ALL
c7_b^7h1 VLIST TH ALL
l8Ox]%F END
h2 y@xnn AANT P
@EvnV. AEC
UNJ|J$T] ACC
4 2~ ;/ 4 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
mz''-1YY$ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
5UqCRz<,R GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
Cv3H%g+as M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
_]NM@ 'e M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
|<S9nZg%p ACC 10 .1 1
;a|A1DmZ ACM 3 .1 1
;X>KP,/r$ ACA
ax$0J|}7 ASC
/<5/gV 1Q END
@/~41\=e SNAP 0/DAMP 1.00000
h&XyMm9C SYNOPSYS 100
N4r`czoj
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 ! &X}? NK
GSEARCH输入如下： F!U+IztZ
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 ` 8Gwf;P1
GSEARCH 3 QUIET LOG _-^@Jx[
8Og9P1jVh
SURF \J6T:jeS,
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 7dLPy[8";t
END nH hg#wR
SYyH_0N
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； G$q=WM!%#s
NAMES ！玻璃名称 tG6 o^
G G-ZF52 TE/2}XG)
G D-FK61 R8a xdV9(
G H-ZF88 JprZ6
>
G H-F51 Z#0z #M`
END ！以END结束 1}N5WBp
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ^+pmZw9 0
GO ！启动程序
C>LkU |[ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
n1v%S"^ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
yjr!8L:m 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
o o2VT 
-.xs=NwB.|
