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
d#6`&MR 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：
j0Bu-sO$w 图1 近红外镜头初始设计
`J]fcE%T0R #u2J;9P 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
&l R 6sb\ RLE ！读取镜头
L93l0eEt ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
u?>B)PW FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
C?ulj9=Z LOG 3119 ！日志编码
{zQS$VhXr WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 rJFc ({ 0
APS 4 ！定义光阑面为表面4
Z -,J) gW 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
`I Os-%s UNITS MM ！
透镜单位为毫米
lW<PoT 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
m7&O9? X 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
U ?'vXa 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
A3vUPWdDk 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
|M8WyW 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
t(GR)&>.2 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
'jmTXWq* 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
3VuW#m#j 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
{)DHH: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
}>)@WL:q 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
JB ZUv 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
p7);uF^O% 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
Av?2< 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
, \X@~ j 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
ub7z A!% 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
>:zK?(qu,N 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
,B08i
o- 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
cKN$ =gd 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
vgD {qg@ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
[v$0[IuY, 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
"oWwc
zzO 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
! E,A7s 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
mK[)mC
_8 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
V~S0hqW[ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
Q9U f.Lh2 8 TH 16.29978150
^F2b
hXE 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
;2@BO-3K 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
fR)m%m END ！以END结束
kxp) ; OS4q5;1# 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
ONx( ] 
-6Oz^
由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
!l|5z G
我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
O$D'.t n8uv#DsdK 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
A
6OGs/:& 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：
_
):d`O e 
)'/|) 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。
YFE&r 
zrR`ecC(b '; = f 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。
smdZxFl 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。
%7#-%{ DSEARCH输入如下： 0VckocF CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
h@: TpE+N TIME ！计算程序运行时间
X/z6"*(|/ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
TpmwD{ c[\ SYSTEM ！透镜系统输入
CPVjmRUF| ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
P~s$EJL* OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
%ObLWH' WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
9R ;/*$ UNITS MM ！透镜单位为毫米
*<E]E? END ！以END结束，与SYSTEM呼应
6'kS_Zu{< {GKy'/[ GOALS ！目标设置
1 z&L y3 ELEMENTS 5 ！元件数为5
ME;n^y\8 FNUM 1.428 ！F数为1.428
VR+ <v BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
K =C!b? TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
eh4g Q^l STOP FIRST ！光阑面为表面1
,ldI2 ] STOP FIX ！光阑面固定
!(n4|Wd NPASS 100 ！程序
优化次数为100
q(zJ%Gv) ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
%1.]c 6U RSTART 300 ！起始半径为300mm
}tH[[4tw, TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
~XyW&@ 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)；
neXeA U FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
UA4J>1 i FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
JJltPGT~Oa GLASS POS ！正透镜玻璃类型
]W Zq^'q. G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
|o2sbLp GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
s[K^9wz G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
'mH ) d END ！以END结束，与GOALS呼应
i^_#%L :l2g# * c 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)
"p/j; 6H ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
2$14q$eb ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
#l4)HV ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
HQUeWCN ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
yb eKiv9 END ！以END结束，与AANT呼应
b+6"#/s GO ！启动程序
y kW [B TIME ！计算时间
j:}J}P `%E8-]{uS 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：
QV h4 
~ _9n .C 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：
|\dZ' 
:U
d JXixYwm
7}GK%H-u U9&k;`
相应的局部放大镜头结构
sK"9fU DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
"F3]X)} PANT
e/*$^i+S VLIST RD ALL
4\pWB90V VLIST TH ALL
RbGJ)K! END
R g?1-|Tj AANT P
%*o8L6Hn AEC
Cv>o.Bp| ACC
;Og&FFs' GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
G/d4f?RU GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
B aO1/zk GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
u>Rb
?` M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
o7TN,([W M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
WEa2E?* ACC 10 .1 1
@v}B6j b; ACM 3 .1 1
jSOS} != ACA
dLvJh#`o ASC
@)>D))+ END
aZet0?Qr SNAP 0/DAMP 1.00000
{/ LZc z[ SYNOPSYS 100
j} F-Xs+
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 v[TYc:L=
GSEARCH输入如下： ?sBh=Ds
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 dl5=q\1=
GSEARCH 3 QUIET LOG nx:KoB"ny
rVtw- [p
SURF PSRzrv$l
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 4Hb $0l
END l;"Ab?P\
0Rz(|jl bS
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； Vvt ;
NAMES ！玻璃名称 W%e_~$H0
G G-ZF52 [ U8$HQ+x
G D-FK61 Jz:r7w{4eB
G H-ZF88 16X@^j_
G H-F51 Z ,c,G2D
END ！以END结束 o<l 2 r
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 &[a Tw{2
GO ！启动程序
Q<6P. PTya 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
b@t5`Y-+K 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
F52B~ @ . 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
]~>K\i 
~AG$5 !
