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
4_`ss+gk 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：
u}Q@u!~e9 图1 近红外镜头初始设计
Cq7EdK;x t/6t{*-w 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：
Z/z(P8#U\ RLE ！读取镜头
HWr")%EhD 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)
!wws9 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
u 1?1x LOG 3119 ！日志编码
%hYol89F WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ^J DiI7 APS 4 ！定义光阑面为表面4
Ax#$z 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
[qHLo>HaL UNITS MM ！
透镜单位为毫米
H 8>u: 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
[l+1zt0w0 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
=R M=@X 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
/Z:\=0 ` 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
xD f<@ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
UMg*Y v% 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
{ r9fKA 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
RVxlN* 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
GEg8\ 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
Kn]c4h}@b5 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:(h17So 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
' '9FB5 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
p,y(Fc~]g' 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
axTvA(k9 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
*siN#,5 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
KrQ8//Ih 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
! H)D@,@ & 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
* /S=9n0 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
c'=p4Fcm 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
C<!%VHs 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
$<)k-Cf 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
HvWnPh1l 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
EJ* 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
. Dw^'p> 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
bg\~" 8 TH 16.29978150
S[o_$@| 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
P:z 5/??2S 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
EUv xil END ！以END结束
m6P!#=a:l< QdM&M^ 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：
r5!I|E 
iJg3`1@j 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。
d%$'Y| 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。
6?U2Et Qh )QdW4 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
o0:[,oc k 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：
0&1!9 -(d 
z}'*zB> 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。
?)9mHo^ 
6 6"-Xf~u VWoxi$3v 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
Ju$vuEO 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。
g ;U f? DSEARCH输入如下： {`0GAW)q CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
p q`Bg`c TIME ！计算程序运行时间
f`X#1w9 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Ak!l}d SYSTEM ！透镜系统输入
jI$}\*g ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
V~y 4mpfX OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
.!kqIx*3 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
,Yg<Z1 UNITS MM ！透镜单位为毫米
!$'s?rnh END ！以END结束，与SYSTEM呼应
[c@ 14]e CqVh9M.ah GOALS ！目标设置
>r7{e:~q ELEMENTS 5 ！元件数为5
c43" o FNUM 1.428 ！F数为1.428
#NM .g BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
RltG/ZI TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
]9?_ m@Ihx STOP FIRST ！光阑面为表面1
Y? Yix STOP FIX ！光阑面固定
kI974:e42 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
6g@@ V=mf ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
>= Hcw RSTART 300 ！起始半径为300mm
%g B 0\C TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
;b:Ct < 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)；
v >TI.;{y FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
3Q^@ !hu FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
h 5 Y3
v GLASS POS ！正透镜玻璃类型
]p~QdUR( G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
iG*3S) GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
WY%LeC!t G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
J;Az0[qMR END ！以END结束，与GOALS呼应
R aFk/mSw aT C7 H]e 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)
jyPY]r ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
F k as*79 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
xq',pzN ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
e.eQZ5n~q` ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
Ue|] M36 END ！以END结束，与AANT呼应
iq`y GO ！启动程序
v2 [
l$ TIME ！计算时间
$l }MB7 uY;-x~Z 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：
Ml8 '=KN_ 
Dqu1!f 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：
LQSno)OZ 
(6p 5 Fo
>lqWni
hQrO8T ?2 GYot5iLg
相应的局部放大镜头结构
_Tyj4t0ElV DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
WF<0Q H PANT
V ^=o@I VLIST RD ALL
9PEjV$0E2 VLIST TH ALL
Ow=` tv$l END
KLlo^1.< AANT P
w}pFa76rm AEC
=rS z>l ACC
Ftj3`Mu GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
$H ^hK0?' GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
C( C4R+U GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
XiI@Px?FL M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Dm6WSp1|b M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
N4 "%!.Y ACC 10 .1 1
6 l IFxc ACM 3 .1 1
eFvw9B+ ACA
.EGZv (rz& ASC
&O(z|-&| x END
'.oEyZA;o SNAP 0/DAMP 1.00000
HS| &[" SYNOPSYS 100
yB(^ t`)}N
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 I'G$ : GX
GSEARCH输入如下： G}mJtXT#=
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 @jg*L2L6
GSEARCH 3 QUIET LOG DGdSu6s$
}NDw3{zn
SURF +2`RvQN
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 ihKnZcI$i
END hRSRz5 J}
D52ELr7
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； R<)7,i`F
NAMES ！玻璃名称 IZeWs wz
G G-ZF52 y!fV+S,
G D-FK61 qR!SwG44+
G H-ZF88 E
N%cjvE
G H-F51 axnkuP(
END ！以END结束 & :x_
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 d _Ll,*J9
GO ！启动程序
|eWlB\ x8 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
-uenCWF\# 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
r8+{HknB; 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
draY / 
i;`r zsRb
