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
@lt#Nz 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：
59-c<I/}f 图1 近红外镜头初始设计
]{L jRSV R GX=) 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：
Q7A MRrN RLE ！读取镜头
yppo6 HGD 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:g'.'/* FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
{_dvx*M LOG 3119 ！日志编码
,Lt[\_ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 [8*)8jP3 APS 4 ！定义光阑面为表面4
a}u Sm/S 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
l@:0e]8|o UNITS MM ！
透镜单位为毫米
KG5>]_GH 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
]:\dPw`A 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
6 aV_@no.C 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
v9UD%@tZ 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
%PJQ%~
A 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
1i ] ^{;] 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
o?
$.fhD
2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
K4);HJ|= 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
wvPk:1 wD5 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
7[wieYj{ 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
.>nRzgo 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
],v =]+R 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
YnP5i#" 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
?0,Ngrbe 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
F sryEHz 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
+t;7 tQDVB 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
\^%}M!tan 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
5 u0HI 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
E+J qWR5 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
}iuw5dik+ 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
@ry _nKr9 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
'`<w#z}AF 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
PiYxk +N 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
of v)SCjd 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
= 9] ~ yt 8 TH 16.29978150
BVO<e \>3 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
#C3.Jef 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
09Cez\0 END ！以END结束
O1mK e%'| WeiFmar 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：
n.G!43@*N 
VU d\QR - 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。
_#h_: 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。
1y4 7Rt9od<
)! 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
k)Qtfj}uij 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：
!I
Qck8Y 
aAA U{EWW 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。
,WB{i^TD 
9p2&) kb6 tC9n
k5~ 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。
>J>[& z S 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。
[1
9,&]z DSEARCH输入如下： 7x4PaX( CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
Np0u,t%vs TIME ！计算程序运行时间
46&/gehr DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
0s2v'A[\ SYSTEM ！透镜系统输入
\)?H J ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Eg3q!J&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
'CkIz"Wd WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
v-_e) m ^ UNITS MM ！透镜单位为毫米
n#OB%@]<V END ！以END结束，与SYSTEM呼应
%n: k# kq,ucU%>p GOALS ！目标设置
K&K WN] ELEMENTS 5 ！元件数为5
5, 6"&vU, FNUM 1.428 ！F数为1.428
fDU !~/# BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
exUu7& *: TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
X*@dj_, STOP FIRST ！光阑面为表面1
EA]U50L( STOP FIX ！光阑面固定
R',rsGd`6j NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Ge-vWf-RbB ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
*6DB0X_-} RSTART 300 ！起始半径为300mm
>e [i 5 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
VZmLS 4E 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)；
.+A+|yR FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
I75DUJqy] FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
cz RFMYE GLASS POS ！正透镜玻璃类型
76h ,]xi
G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
J,y[[CdH` GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
>_"an~Ss G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
2)HuZda END ！以END结束，与GOALS呼应
'op|B@y KEjWRwN 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)
f5VLw`m}.8 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
jQ^|3#L\ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
~;{; ,8!) ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
WuUk9_ g ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
iN8zo:&Z END ！以END结束，与AANT呼应
'XP7"
N47O GO ！启动程序
V7f q4O^: TIME ！计算时间
IE/^\ M A1>OY^p3% 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：
]{ mPh\ 
G.a b ql 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：
XXcl{1Kp!@ 
;LSANr& dV$gB<iS
;dZZ;#k% tm RXgTS
相应的局部放大镜头结构
ARwD~ Tr DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
tq6!`L }3 PANT
Z!zF\<r VLIST RD ALL
BdblLUGK# VLIST TH ALL
O$j7i:G'5 END
RF4vtQC= AANT P
' RYIW /a AEC
YdC6k? tzS ACC
Mhf5bN|wQ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
]e>w }L(gV GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
`l){!rg8IC GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
VfC <WVYiZ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Z|j> gq M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
P& -Qc ACC 10 .1 1
`WFw3TI ACM 3 .1 1
suiS&$-E ACA
J76kkW`5 ASC
j2.|ln"! END
hl (hJfp SNAP 0/DAMP 1.00000
BmMGx8P SYNOPSYS 100
MvHm)h
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 m6&~Hf wN
GSEARCH输入如下： Eog0TQ+*
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 yyRiP|hJ
GSEARCH 3 QUIET LOG lN?qp'%H`
}mq6]ZrK
SURF Bsq P?/
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 vkd.)x`J,
END # 9}D4i.`}
b v r^zH,C
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； FR4QUk
NAMES ！玻璃名称 ukfQ e }I
G G-ZF52 E +R1 !.
G D-FK61 8 \ +T8(m
G H-ZF88 zrL$]Oy}x
G H-F51 M!A}NWF
END ！以END结束 .4M.y:F
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 aa?b` [Xa
GO ！启动程序
w QH<gJE/: 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
@qqg e' 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
)=Z>#iH1 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
+]A:M6P:{v 
]&xk30
