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
9 ; `E,w 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：
Q>
J9M` a 图1 近红外镜头初始设计
P|QM0GI b+e9P i* \ 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：
i{4J$KT RLE ！读取镜头
t lpTq \; 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)
?[c{pb ,| FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
{&0u:
LOG 3119 ！日志编码
W|AK"vf WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 *`~]XM@H APS 4 ！定义光阑面为表面4
l3HfaCP6: 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
} @4by< UNITS MM ！
透镜单位为毫米
Oe"nNvu/ 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
cE+Y#jB 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
['Y"6[1 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
in#lpDa[ 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
BY`vs+]XY 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
b;I zK ' 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
e^yfoE<7 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
84A:Rd'k3) 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
x|GkXD3 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
OZ6:u^OS] 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
s | !lw 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
A#8J6xcSrL 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
L W!>_~g- 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
1w'W)x 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
*1g3,NMA 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
]\(Ho
5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
0 t2n7Y?N 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
l-?#oy 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
G|.6%- 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
!v<` ^`x9I 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
ob]j1gY b 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
!Wz4BBU8o 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
V-k x=M"k 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
R^&.:;Wi> 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
"X \Yp_g 8 TH 16.29978150
Hb3t|<z 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
<HH\VG\H6 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
\HQw$E/p END ！以END结束
r -$VPW PC3 ?eS } 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：
aW _Pv~ 
-S7i': 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。
TGHyBPJb 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。
W<>R;~) 2B b,ZC* 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
A$70!5* 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
Q% x-BZb~ 
%>Mcme>(W 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
3 L:SJskYR 
\1<8'at TgA>( HcO 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
%#TAz7 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
DdqE6qE DSEARCH输入如下： .S[M: <<* CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
^~^=$ fz TIME ！计算程序运行时间
~rlPS#]o DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
S4VM(~,o SYSTEM ！透镜系统输入
=
Oz pI ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
QY c/f"9 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
@cc}[Uw4B WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
9Y+7o%6e UNITS MM ！透镜单位为毫米
[*1:?mD$ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
;:/C.%d
-?w3j9kk> GOALS ！目标设置
NZz^* Ela ELEMENTS 5 ！元件数为5
sKC(xO@L;` FNUM 1.428 ！F数为1.428
} k SP p BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
80K"u[ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
kgd
dq STOP FIRST ！光阑面为表面1
3h cWR'| STOP FIX ！光阑面固定
{01^x n . NPASS 100 ！程序
优化次数为100
#j'7\SV ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
(t5vBUj RSTART 300 ！起始半径为300mm
mYbu1542'n TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
e[6Me[b 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)；
Z-3("%_$/ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
kRV]`'u, FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
mc4|@p* GLASS POS ！正透镜玻璃类型
IZuP{7p$ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
q);oO\< GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
+wfZFJ:1l G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
[9yd29pQ] END ！以END结束，与GOALS呼应
.E;}.X zEh&@{u? 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)
)}u?ftu\ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
4kR;K !@k ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
3gYtu-1 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
P| ftEF ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
Y$_^f*sFn END ！以END结束，与AANT呼应
{4*5 Z[ GO ！启动程序
E {UhM q7 TIME ！计算时间
WW-}c;cnK $3xDj iBb 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
uK0L> 
9'p*7o 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
P!gY&>EU 
8 %p+:6kP5 jOZ>^5}
l!": s:/' EqOhz II^
相应的局部放大镜头结构
r{f$n DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
# )s
+I2 PANT
:lu "14 VLIST RD ALL
>^SQrB VLIST TH ALL
^!$=(jh. END
n g9 _c AANT P
_+Z5qUm Q AEC
]2{]TJ @B ACC
_#we1m GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
bK{ V jXF GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
{kvxz GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
v 1/ Y0 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
HY;kV6g{P M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
&UO/p/a ACC 10 .1 1
aGAr24]y ACM 3 .1 1
>h.HW ACA
x4,[5N"}YK ASC
7jG fQ END
*?A!`JpJn SNAP 0/DAMP 1.00000
=CO'LyG SYNOPSYS 100
nRT ]oAi
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 "~ KT Lf
GSEARCH输入如下： *;Cpz[N
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 =E-o@#BS
GSEARCH 3 QUIET LOG +G+1B6 S
}PM7CZSq
SURF q
s: TR
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 x$FcF8
END \jZ)r>US"
hZWkw{c
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； F+L%Ho;@P
NAMES ！玻璃名称 8idI Jm%y
G G-ZF52 )`6O SB
G D-FK61 4YoQ*NQw-
G H-ZF88 4vNH"72P
G H-F51 \f=kQbM
END ！以END结束 / %iS\R%ca
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 /2MZH
GO ！启动程序
aj=-^i GG 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
5 0a';!H 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Aj(y]p8 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
0g; o6Fg 
c= ?Tu
