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
eT".psRiC 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:c5
q0O^x 图1 近红外镜头初始设计
& !CVF t`H1]`c? 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：
SCcvU4`o RLE ！读取镜头
5)%a hm Y 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)
tS2 &S 6u FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
3
,>M-F LOG 3119 ！日志编码
O ZxJDg WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ur}'Y^0iR APS 4 ！定义光阑面为表面4
GGuU( sL* 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
vdq=F|& UNITS MM ！
透镜单位为毫米
blgA`)GI 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
=PRQ3/?5 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
l/G +Xj4M 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
S/`#6 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
Qfn:5B ]tI 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
f(|k0$EIu 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
%b ^ 4XTz 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
t<Acq07 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
@nj NP^'Kx 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
s6|'s<x"j 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
2&4nf/sE 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
o Vp ZR$ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
zzf@U &x< 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
uy
hh"[ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
0V~zZ/e 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
nEsD+ }E? 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
G+<XYkz* 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
[K3
te 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
7
XxZF43 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
k77IXT_7u 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
U*C^g}iA 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
MR1I"gqE}I 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
z}MxMx
c4h 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
sv=U^xI 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
3lp'U&3`5 8 TH 16.29978150
~!Nj DDk 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
(.:*G Ug 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
5C!zEI) END ！以END结束
TTVmm{6 Z<.&fZ^jS 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：
O^MI073Q>t 
x:FZEya lG 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。
2GptK"MrD 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。
Vg NB^w A r!0GwE+ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
w7@`:W 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：
?62Im^1/ 
mWv$eR 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
o.ZR 5 `. 
<Z%=lwtX 712nD ?> 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
^bv^&V&IB 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
R/oi6EKv DSEARCH输入如下： s0iG |vw CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
M(a%Qk?]/ TIME ！计算程序运行时间
'f<N 7%eZ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
vxmX5. SYSTEM ！透镜系统输入
J%CCUl2 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Og 1-LP|X OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
8ao-]QoMZ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
5_;-Qw UNITS MM ！透镜单位为毫米
O >h` END ！以END结束，与SYSTEM呼应
5sT3|yq 9r MO= GOALS ！目标设置
v@=qVwX ELEMENTS 5 ！元件数为5
hoq2zDjD FNUM 1.428 ！F数为1.428
u#Ig!7iUu BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Yj@ Sy TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
aZb\uMePK STOP FIRST ！光阑面为表面1
zP,r ,ok 7 STOP FIX ！光阑面固定
i% 1UUI(W NPASS 100 ！程序
优化次数为100
w^0hVrws=, ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
O^cC+@l!4 RSTART 300 ！起始半径为300mm
s`$}xukT TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
S"&G utu3o 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)；
"J"=<_? FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
qx ki FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
{' M<dI$ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
p3A 9 <g G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
[OCjYC ` GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
q SNCBn ' G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
\E?3nQM END ！以END结束，与GOALS呼应
{5B j*m5 8'*x88+ 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)
;5ki$)v" ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
xE 8?%N U ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
, '0#q ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
1b~21n ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
?b+Y ])SJK END ！以END结束，与AANT呼应
xq((]5P y GO ！启动程序
!.'D"Me> TIME ！计算时间
D3 C 7f' )h,y Q`. 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：
T_S3_-|{== 
t"4* ]S 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：
G?}?> O 
UD Jjw 9E ^!i
\8xSfe on 7
n4
相应的局部放大镜头结构
':(AiD -} DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
23tX" e PANT
a<&K^M & VLIST RD ALL
{d.z/Buu VLIST TH ALL
N~,Ipf END
`0qjaC AANT P
@mCe{r*` AEC
3Z" ;a ACC
4v`/~a GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
HS <Jp4 4 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
m+!.H\ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
5[4wN(
) M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
_|u}^MLO M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
v/ N[)< ACC 10 .1 1
Yk|6?e{+) ACM 3 .1 1
b,^ "-r ACA
=_`q;Tu= ASC
jQ V[zcM END
n}UJ - \$ SNAP 0/DAMP 1.00000
, Wd=!if SYNOPSYS 100
J:Fq i p
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。 mS'Ad<
GSEARCH输入如下： ^UKAD'_#%O
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 C7dq=(p&
GSEARCH 3 QUIET LOG hV(^Y)f
C >Hdp_Lm
SURF {rcN_N%
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 $U ?]^
END C$[iduS
! +e U
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 7"'RE95
NAMES ！玻璃名称 Zp7Pw
G G-ZF52 :%h1Q>F
G D-FK61 :k_&Zd j,B
G H-ZF88 )pl5nu#<
G H-F51 )vO" S
END ！以END结束 #r #[&b
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 _O}m0c
GO ！启动程序
#ELe W3
S} 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
\OV FZ D 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
[e` | < 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
t}k:wzZ@ 
=H)]HxEEM
