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
xrJ0 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 'is#X 6: 图1 近红外镜头初始设计
dsb z\w3: Ew9 MWlk 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：
2b :I . RLE ！读取镜头
_b=})** 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)
.3
^*_ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Z \ - LOG 3119 ！日志编码
2Ju,P_<dt WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 _)# ~D*3 APS 4 ！定义光阑面为表面4
^^)\| kW? 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
"M]`>eixL UNITS MM ！
透镜单位为毫米
ayA_[{j%X 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
dBW#PRg 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
"n<u(m8E 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
9x9E+DG#( 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
u QW d1> 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
H32 9P*P 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
l02aXxT)] 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
I]ol[
X0S 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
xtp 5 5"g 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
lt}U,p ,S 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
HYg7B 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
@;d7#!:cE 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
jbTyM"Y 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
aK9zw 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
c<qJs-C4; 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
z.kBQ{P 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
9,
792b 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
^EKf_w-v 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
\G1(r=fU 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
3-2?mV>5 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
d _koF-7 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
c1_?Z 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
gr$H?|n l 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
DZ|/#- k 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
E}=F
8 TH 16.29978150
DzCb'# 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
aeF^&F0 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
{pB9T3ry] END ！以END结束
i{ /nHrN cNqw(\rr 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：
v_@&#!u` 
ZbcpE~<a 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。
GD .>u 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。
fBt7#Tc=U O Az -w 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
#Y<b'7yJ 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：
zX/9^+p: 
KHXnB 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。
u8@>ThPD 
cj/FqU" gG=E2+=uy 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。
meV
RdQ 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。
\>-%OcYlM DSEARCH输入如下： Z@`HFZJ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
qT L@N9 TIME ！计算程序运行时间
zHCz[jlrMq DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
-f:uNF]L s SYSTEM ！透镜系统输入
1e^-_Bo6'o ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
?2b9N ~ 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
2]*2b{gF, WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
{%b-~& F9 UNITS MM ！透镜单位为毫米
VIxcyp0X END ！以END结束，与SYSTEM呼应
CR$5'#11) ?5 d3k% GOALS ！目标设置
/f c@=CO ELEMENTS 5 ！元件数为5
+P <Lo I FNUM 1.428 ！F数为1.428
D*j\gI BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Ie?C<(8Ul TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
*l^%7W rk STOP FIRST ！光阑面为表面1
ToVm]zPOUt STOP FIX ！光阑面固定
vH#^ |u NPASS 100 ！程序
优化次数为100
A3N<;OOk ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
fhmq O0 RSTART 300 ！起始半径为300mm
?79AB m
a TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
a NCIh@m~ QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
K(HP PM\ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
U{o0Posg FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
PZ "=t! GLASS POS ！正透镜玻璃类型
y85/qg) H^ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
L% JmdY; GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
?J~(qa a; G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
j{9sn,<: END ！以END结束，与GOALS呼应
P-QZ=dm X}xy
v SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
S:Ne g!` ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
wvA@\-.+ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
v >71 ?te ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
;Z"6ve4 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
Hay`lA2@ END ！以END结束，与AANT呼应
?8n`4yO0 GO ！启动程序
|,Y(YSg. TIME ！计算时间
/nRi19a%xU p /xxoU 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
/AP@Bhm 
M: qeqn+ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
</|IgN$w` 
(AdQ6eGM b kQ~*iY
^~2GhveBV 8|w_PP1oE
相应的局部放大镜头结构
,.uPlnB_ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
V 3-5:z PANT
/4]M*ls VLIST RD ALL
: \w\K: VLIST TH ALL
w Maib3Q END
jYRw tP\ AANT P
q7C>A`w AEC
U a x- z ACC
41WnKz9c GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
-1~bWRYq GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
i U\WV GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
wz5xJ:T j M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
E 3y" M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
< Vr" ACC 10 .1 1
h \b]>q@ ACM 3 .1 1
HP2]b?C ACA
Ex~[Hk4ow ASC
T2
0dZ8{y END
X 6/k ` J SNAP 0/DAMP 1.00000
}\B`tAN SYNOPSYS 100
` ej
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。 M&
GA:`
GSEARCH输入如下： O/ >$kG%ge
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 RiF ~-;v&
GSEARCH 3 QUIET LOG utC]GiR
Ujw A06
SURF EaG3 :< >J
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 c.Pyt
END JGp~A#H&
>z1RCQWju
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； ig] * Z
NAMES ！玻璃名称 iK1<4)
G G-ZF52 ;OQ{
G D-FK61 9. Q;J#;1
G H-ZF88 !MNUp(:
G H-F51 v&%GK5j7O
END ！以END结束 ^$Dpdz I
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 nk]jIR y^T
GO ！启动程序
eP$0TDZ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
R 28v5 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Zi[ @xG8dm 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
p
mcy(< 
0 m6Vf
x
