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
.Cda OWM7 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：
)k01K,%#) 图1 近红外镜头初始设计
<9 lZ %j; 5%"${ywI 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：
G3n* bv RLE ！读取镜头
CZRrb 84 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)
lA { FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
C=(-oI n
LOG 3119 ！日志编码
]vJZ v"ACn WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 rGuhYYvK APS 4 ！定义光阑面为表面4
D.Rk{0se8 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
3#huC=zbf UNITS MM ！
透镜单位为毫米
Q W #]i 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
C bm 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
jT"P$0sJAd 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
;ZX P*M9 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
^I3cU'X 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
8T92;.~( 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
In^MZ)? 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
Yh_H $uW 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
l%\3'N] 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
Cj%SW <v| 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
GHj1G,L@\ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
o6sL~ *hQ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
9C}Ie$\ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
vpXC5|9U 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
g]85[xz 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
u':- DgK 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
`bu3S }m7 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
_6" vPN 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
~R/w~Kc!/A 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
,/6V ^K 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
'EU{%\qM 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
;tTM3W-h 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
Ze ~$by|9f 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
44FK%TmtF 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
I2kqA5>)j 8 TH 16.29978150
Q1EY !AV8 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
[:sP Z{ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
&;L4Cj$ q END ！以END结束
loN!&YceW ='u'/g$'& 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：
f gI.q 
c_clpMx= 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。
!iUdej^tx 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。
7 iu?Q zrk/}b0j 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
qd{o64;| 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：
/]%,C 
VaC#9Tp2X 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。
& tQHxiDX 
nV 38Mj2U '&Ox,i]t 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。
G}ElQD 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<A+.W DSEARCH输入如下： 9\3% 5B7 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
g! ~&PT)* TIME ！计算程序运行时间
2n+j. DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
.vNfbYH( SYSTEM ！透镜系统输入
{YZ)Ia qZ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Q>7#</i\. 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
hKtOh WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
b0X*+q UNITS MM ！透镜单位为毫米
:Q2\3 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
Z)'jn8?P @iB**zR/ GOALS ！目标设置
Na: M1Uhb ELEMENTS 5 ！元件数为5
_ / j44q FNUM 1.428 ！F数为1.428
eHK}U+"\ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
FW#Lf]FJ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
(ii 5p nq STOP FIRST ！光阑面为表面1
dgd&ymRm
: STOP FIX ！光阑面固定
v}A] R9TY NPASS 100 ！程序
优化次数为100
B)
&BqZ& ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
qM3^)U2 RSTART 300 ！起始半径为300mm
U#G
uB&V TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
qTC`[l 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)；
DamLkkoA
FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
I'"*#QOX FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
RL~|Kr<7J GLASS POS ！正透镜玻璃类型
QI~s~ j G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
WzgzI/ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
deaxb8' 7 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
B;4hI? END ！以END结束，与GOALS呼应
Z] $yuM :eS7"EG{3 SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
n-,~Bp
[ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
3Zsqx =w ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
/r@P\_ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
]=9%fA ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
GEA@AD=^f END ！以END结束，与AANT呼应
pX6T7 GO ！启动程序
OW)8Z 60 TIME ！计算时间
,qiS;2( W~W^$A 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：
Ec_
G9& 
*bn9j>|iv 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：
<S
$Z 
f ouy?? S7aS Ut!
PZLW yp AEPgQ9#E
相应的局部放大镜头结构
""D rf=] DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
}y|% wym PANT
XT>e/x9' VLIST RD ALL
BOL _kp" VLIST TH ALL
8i-?\VZD END
Q
C~~ AANT P
rC_K
L AEC
:KX/` ACC
1Od: I}@ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
P_-zk w GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
ddnWr"_ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
HxZ4t M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
q>Px M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
>z^T~@m7l ACC 10 .1 1
dUb(C1h ACM 3 .1 1
6ap,XFRMh ACA
Z|8f7@k{|+ ASC
\vQ_ :-A END
lS?f?n^ SNAP 0/DAMP 1.00000
`9K'I-hv<8 SYNOPSYS 100
/f%u_ 8pV%
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 `R:<(:
GSEARCH输入如下： W:rzfO.`Z
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 NP B':r-8
GSEARCH 3 QUIET LOG zztW7MG2lQ
"a,Tc2xk
SURF `
|]6<<'iW
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 VKik8)/.
END =P Zs'K
r4D66tF
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； /%xK-z,V
NAMES ！玻璃名称 t9K.Jc0
G G-ZF52 <5$= Ta
G D-FK61 <mm}IdH
G H-ZF88 Ab_aB+g ]
G H-F51 FswFY7
8
END ！以END结束 "9 WP^[
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 x<ENN>mW1
GO ！启动程序
Zfb:>J@h6 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
YRYrR|I 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
'rR\H 2b
在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
G^2"\4R]p 
1H[lf
B
