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
1C{n\_hR 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：
r G6/h'!| 图1 近红外镜头初始设计
=%`" Y#,MFEd 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：
e^T F.D?RS RLE ！读取镜头
.}wir, 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)
g<Xwk2_=g FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
=\.|' LOG 3119 ！日志编码
T~Cd=s(T" WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 bcG-js- APS 4 ！定义光阑面为表面4
he #iWD' 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
AH +J:8k UNITS MM ！
透镜单位为毫米
tK*f8X+q 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
|)?T([ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
kLP^q+$u)! 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
z7o5 9& 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
G 2##M8:U0 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
fz*6 B NJ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
2NM} u\%c/ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
o\N}?Z,Kk 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
K"6 1i:F 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
v.MWO]L 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
=v8q 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
+]X^bB[ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
t$J -6dW 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
DWG}}vN:& 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
AyUVsIuPT= 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
;A_QI>> 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
p5\b&~
g 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
[(XKqiSV 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
?a %
u=G 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
]So%/rOvX 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
d{ &z^ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
=0Mmxd&o=M 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
?`xId;}J#7 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
WW.=>]7; 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
,aeFEsi 8 TH 16.29978150
WG,{:|!E 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
Yi:+,-Fso 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
O;~1 M3Ii END ！以END结束
B!Y;VdX 0(n /hJ 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：
b3ZPlLx6 
I/adzLQ 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。
4D8q Gti 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。
ji "*=i <_+8 c{ G 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
.3[YOM7h 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：
28-@Ga4 
^>>Naid 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。
# 8A|-u=3 
^U52
*6 nxG vh4'i8 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。
<B)lV'!Bd 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~m tE8 B: DSEARCH输入如下： MxY CMe4S[ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
^;'3(m= TIME ！计算程序运行时间
MDRSI g DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
c7'Pzb)' SYSTEM ！透镜系统输入
.gB#g{5+J ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
E @7! : 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
D,2,4h!ka WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
{YkW5zC(L UNITS MM ！透镜单位为毫米
J4<- C\=4 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
B;EdLs} PpbW+}aCF GOALS ！目标设置
%9IM|\ulp ELEMENTS 5 ！元件数为5
jYU#]
|k~ FNUM 1.428 ！F数为1.428
{W0@lMrD BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
9 eP @} C6 TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
18Ty )7r' STOP FIRST ！光阑面为表面1
# H4dmnV STOP FIX ！光阑面固定
e|`&K"fnq NPASS 100 ！程序
优化次数为100
2D
"mq~ V ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
.; :[sv) RSTART 300 ！起始半径为300mm
ce@(Ct TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
_9<Ko.GVq 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)；
) yjHABGJ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
hNQ,U{`;^ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
K]RkKMT, GLASS POS ！正透镜玻璃类型
L./ UgeZ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
rK];2[U GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
zd r?1 = G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
ifuVV Fov END ！以END结束，与GOALS呼应
m Wtwp- MLUq"f~ N 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)
J6jrtLh ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
JT x&_Ok# ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Q|:\ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
__)9J F ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
Hq=RtW2 END ！以END结束，与AANT呼应
(d_{+O " GO ！启动程序
zc(- dMlK TIME ！计算时间
o#G7gzw) Rf7 py ) 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：
Z[|(}9v?~ 
P\SE_ *& 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：
,rQznE1e 
>hHn{3y -8g ;t3z
O0 wD"V^W <UeO+M(
相应的局部放大镜头结构
ceAK;v
o DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
V"gnG](2l PANT
|FH/Q-7[ VLIST RD ALL
A2]N := VLIST TH ALL
]kR 93 END
Q9{% AANT P
FD[* mCGZ AEC
zf#V89!]C" ACC
wOINcEdx GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
\S3C"P%w GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
$K Krl GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
&%rX RP M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
.hnGHX M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
T5o9pm D ACC 10 .1 1
(Zx;GS ACM 3 .1 1
$f_Brc:n { ACA
gZ:)l@ Wu ASC
cvi+AZ= END
|0BmEF SNAP 0/DAMP 1.00000
pz~AsF SYNOPSYS 100
Qr$ uFh/y
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。 &!a[rvtZ+
GSEARCH输入如下： 9w (QM- u
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 b>?X8)f2e
GSEARCH 3 QUIET LOG \%f4)Qb
o^2.&e+dQ
SURF $U3s:VQ '
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 |v:8^ C7
END qVx0VR1:
&$|k<{j[<f
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； yD$rls:v<
NAMES ！玻璃名称 0O|T\E8 e
G G-ZF52 Z'hW;^e%_z
G D-FK61 ^7V9\Q9
G H-ZF88 hBO I:4u[
G H-F51 h{VCx#!]
END ！以END结束 XQ.JzzY$
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 b> Iq k
GO ！启动程序
JEGcZ eq) 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
%BC*h}KGH 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
y;3vr1? 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
+(QGlRd 
`dx+Qp
