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
2;`F` }BA 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：
J_@`:l0,z 图1 近红外镜头初始设计
*Q`y'6S . >^iU} 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：
" ra C?H RLE ！读取镜头
(
L ]C 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)
6>e YG <y{ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
IzWS6!zKU LOG 3119 ！日志编码
m2r %m
y WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 >sZ207* APS 4 ！定义光阑面为表面4
XJ* W7HD 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
HLYo+;j3| UNITS MM ！
透镜单位为毫米
TM*<hC 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
;e#bl1%# 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
xA#'%|" 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
$hgsWa 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
*<IQ+oat,a 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
#Py\' 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
cuUlr 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
?5U b&{ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
>&DNxw 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
PTf.(B"z 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
SHt#%3EU 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
d_!l RQ^N 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
ufc_m 4PN 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
[*2|#KSCX 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
6~y7A<[^ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
.:?cU#. 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
S /)J<?<b 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
*=~X1s 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
B>{\qj)% 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
DNp4U9 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
}rbsarG@ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
K26x,m]p 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
Q"QL#<N 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
"YQ%j+ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
,Y_ [+ 8 TH 16.29978150
=^D{ZZw{ 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
- mPrmapb3 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
g$eZT{{W END ！以END结束
u*C"d1v= _0c$SK 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
mzoNXf:x 
y | 0I3n]e 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
PdNxuy 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
YTo^Q& @Tl!A1y? 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
#&jr9RB 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
_Sx p|{H0 
%G>|u/:U 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
DJ#z0)3<p 
VtJy0OGcRP va_TC!{ ; 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
W=)wiRQm 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
f qgm`4> DSEARCH输入如下： <0hJo=6a8 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
%=O$@.%Zc TIME ！计算程序运行时间
U~Ai'1?xz DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
N;BS;W5I SYSTEM ！透镜系统输入
{<_9Q AS ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
B hnwb0b< 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
<fLk\
= WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
> =Z@)PAe UNITS MM ！透镜单位为毫米
gUq) M END ！以END结束，与SYSTEM呼应
LN?b6s75U ^"N sb & GOALS ！目标设置
rH<iUiA?O ELEMENTS 5 ！元件数为5
L b eMP FNUM 1.428 ！F数为1.428
P=j br"5Q: BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
I;!zZ.\ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
.+"SDt oX STOP FIRST ！光阑面为表面1
ecI[lB STOP FIX ！光阑面固定
:8<\]}J NPASS 100 ！程序
优化次数为100
fP9k(mQX ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
aF'9&A;q RSTART 300 ！起始半径为300mm
N>A*N,+ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
qt#a_F*rV 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)；
&2! F:L FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
cP~?I z8nD FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
#VwA?$4g` GLASS POS ！正透镜玻璃类型
2Rp'ju~O)/ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
|5}~n"R5 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
y&.[Nt '+ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
3GS oHsNk END ！以END结束，与GOALS呼应
sDH|k@K EPz$`#Sh" 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)
X%1fMC ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
F<UEipe/N ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
n+EK}= DK ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
3-Q*um h ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
h69: Tj! END ！以END结束，与AANT呼应
fQ&:1ec GO ！启动程序
rX%qWhiEJ TIME ！计算时间
1MV\
^l_ kd9GHN ;7 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：
"$Wi SR 
p,=:Ff}~ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
!8|] R 
eq SCNYN lxRzyx
* 6)u5 `ecuquX'
相应的局部放大镜头结构
qO<'_7TN[ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
fNi&1J-/ PANT
!P, 9Sg&5) VLIST RD ALL
N>OF
tP VLIST TH ALL
H7e/6t<x END
>8 V; :(nt AANT P
3986;>v AEC
>NN |vj ACC
>? ,arER GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
Dk|<&uVV GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
V 'Gi2gNaP GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
YZCPS6PuE M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
N1UE u,j M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
: 5@cj j ACC 10 .1 1
j\nnx8`7 ACM 3 .1 1
xXK7i\ny ACA
W|T"'M _ ASC
n%Xw6qV: END
u pf7:gk + SNAP 0/DAMP 1.00000
l%"eQ SYNOPSYS 100
/n7F]Ok'*
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 #3$U &|`
GSEARCH输入如下： YE5v~2
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 D d*T5A?
GSEARCH 3 QUIET LOG =M G
c3|;'s
SURF `"m"qUd
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 {"e/3
END _ c%]RE
M 6!kn~
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； +*g[hRw[
NAMES ！玻璃名称 qTiUha9
G G-ZF52 J=TbZL4y}4
G D-FK61 muo7KUT
G H-ZF88 amGQ!$]
%#
G H-F51 DB_
x
END ！以END结束 `NV =2T
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 2s
EdN$O
GO ！启动程序
K4xZT+Qb 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
L5cNC Wpo 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
o C U8;z 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
]xf {.z 
Z8k O*LYv
