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
QUg<~q)Oq 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：
Zu>CR_C 图1 近红外镜头初始设计
9>ZX@1]m_ k^K%."INn 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：
,u!_mV RLE ！读取镜头
:c`djM ^ll 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)
A0Q1"b= FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Ih;D-^RQ LOG 3119 ！日志编码
/ Ao.b|mm WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 Mko,((>I1 APS 4 ！定义光阑面为表面4
~q}]/0-m 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
}:1qK67S UNITS MM ！
透镜单位为毫米
5 d}bl { 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
PWyFys 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
$-6[9d-N 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
:U]Pm:ivTU 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
T ( k:\z/ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
Zc*#LsQh.` 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
U.<a d 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
`_"?$ v2F 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
^ ,[gO#hgz 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
nE : Wl 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
.
ywVGBvJ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
e'=#G$S?g 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
?3i<^@? 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
G B>T3l" 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
$c LZ,N24 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
J`wx72/-ZW 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
"c![s% 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
(: mF+%( 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
^Nysx ~6 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
5 L-6@@/ 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
y@Td]6|f 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
-&QpQ7q1 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
-NDB.~E^DJ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Ju.T.)H 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
lH"VLO2l 8 TH 16.29978150
uiWo<}t}{ 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
8P2_/)| 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
'2{60t_A END ！以END结束
'47E8PIJ| yPH5/5;, 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：
)1O|+m k 
}c#W"y5l_ 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。
a
JQ_V 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。
K{ FBrh |;YD RI 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
WTZuf9: 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：
p,\(j 
8=mx5Gwz - 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。
E FBvi 
h6D1uM"o @rr\Jf""z 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。
zZ8:>2Ps( 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。
T`Xz*\}Zb DSEARCH输入如下： kB-<17 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
i"{znKz vD TIME ！计算程序运行时间
q]y{
4"=5 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
QVD^p;b SYSTEM ！透镜系统输入
c 2yZ vi ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
\ Zn~y--Z 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
t5S!j2E WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
Sqla+L* UNITS MM ！透镜单位为毫米
y"ms;w'z END ！以END结束，与SYSTEM呼应
vGp`P nB%[\LtZ? GOALS ！目标设置
$ u,`bX ELEMENTS 5 ！元件数为5
Lx3`.F\mG FNUM 1.428 ！F数为1.428
7#9 fcfL BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
'^.3}N{Fo TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
"GAKi}y">v STOP FIRST ！光阑面为表面1
g<i>252> STOP FIX ！光阑面固定
s18A NPASS 100 ！程序
优化次数为100
bWMb@zm ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
!:1BuiL RSTART 300 ！起始半径为300mm
^]$rh.7& TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
WhDNt+uk) QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
1(
]{tF FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
n5?7iU&JIo FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
CrX1qyR GLASS POS ！正透镜玻璃类型
q}J Eesf G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
p1,.f&(f GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
O i~.z@@ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
37|EG END ！以END结束，与GOALS呼应
[uu<aRAg3O 3: gF4( . SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
hj3wxH.} ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
f7 zGz ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
^~m}(6 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
HH^yruP\} ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
v NAQ/Q END ！以END结束，与AANT呼应
4pFoSs?\ GO ！启动程序
UFr5'T TIME ！计算时间
;x4yidb6 8 jgamG 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
|f+fG=a67V 
\p J<@ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
D}bCMN < 
_Ns_$_ AJt4I
W@
g<MCvC@
4-q8:5
相应的局部放大镜头结构
$(pVE}J DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
$`Aps7A PANT
,}$[;$ye VLIST RD ALL
[L>AU;
: VLIST TH ALL
ngH_p > END
!ziO1U AANT P
<VmEXJIk AEC
[u/W h+ ACC
~01Fp;L/ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
o1u? H 4z GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
O@,9a~Ghd GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
6>/g`%`N M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
h, P#)^" M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
K=;oZYNd ACC 10 .1 1
=' #yG(h ACM 3 .1 1
}<G#bh6;Q ACA
U j> bWa` ASC
ykG^(.E END
t
x#(K# / SNAP 0/DAMP 1.00000
0 I[3%Q { SYNOPSYS 100
-Deqlaf(
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 =BBDh`$R
GSEARCH输入如下： ~ ^) 4*@i6
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 mO^vKq4r.
GSEARCH 3 QUIET LOG IHNl `\Le
O `a4
")R
SURF + :m'
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 VY'1
$
END A \~tr
_w49@9?
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； %8T"h
NAMES ！玻璃名称 G^_fbrZjN
G G-ZF52 DbvKpM H
G D-FK61 f;%\4TH?
G H-ZF88 Y`
tB5P
G H-F51 l*<RKY8
END ！以END结束 !;;WS~no3
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 :/FT>UCL
GO ！启动程序
;Fm7!@u^0 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
^`oyf{w@ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
2$ gOe^ & 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
8zk?:?8%{ 
*9xv0hRQ%?
