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
6r }w 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：
4 mwLlYZ 图1 近红外镜头初始设计
K?gO ]T{6 NUM+tg>KM 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：
4\iy{1{E,C RLE ！读取镜头
N7#,x9+E 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)
Q|tzA10E
FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
@X]J MicJ LOG 3119 ！日志编码
~09k IO) WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ucX!6)Op APS 4 ！定义光阑面为表面4
Z1 sRLkR^ 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
KYC<*1k UNITS MM ！
透镜单位为毫米
dEK bB 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
*# ; 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
an,JV0 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
qd@F b* 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
7da~+(yhr 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
R7ExMJw 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
G[s/M\l 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
WS2@;
8.N 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
x4[
Fn3JL 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
I^!c1S 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
s,]z6L0 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
41^
$ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
&D#B"XI 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
XE?,)8 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
$##LSTA 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
<c] ? 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
cBDOA<]r, 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
_2rxDd1#. 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
j\TS:F^z 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
l4Q v$ 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
$X]Z-RCK3 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
e < -^ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
mm BZ}V+&= 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
PLs(+>H 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
J%lEyU 8 TH 16.29978150
u#`'|ko \9 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
4<y|SI! 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
6d%)MEM END ！以END结束
[A46WF>L G:Cgq\+R 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
Rv@(
[rn+ 
GL'zNQP- 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
</33>Fu) 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
0=c:O u\P)x~-TM 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
ZY-m Ug 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
A]AM |2 D 
p5 )+R/ 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
axLO: Q, 
8I%N^G -`d(>ok 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
*[0)]|r 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
cvO;xR DSEARCH输入如下： e3x;( @j CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
{6 brVN.V TIME ！计算程序运行时间
QliP9-im3 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
o! }/ &
'( SYSTEM ！透镜系统输入
">rt *?^ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
n^$HC=}S 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
kq=tL@W`0} WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
iYl$25k/1 UNITS MM ！透镜单位为毫米
eVB.g@%T END ！以END结束，与SYSTEM呼应
4{J'p19 .}DL%E`n GOALS ！目标设置
C 8q VYrw ELEMENTS 5 ！元件数为5
[Se 0+\,& FNUM 1.428 ！F数为1.428
uc-Go
6W BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Z'|A>4\ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
<nE |Y@S STOP FIRST ！光阑面为表面1
C! J6"j STOP FIX ！光阑面固定
Dd$CN&Ca NPASS 100 ！程序
优化次数为100
9Qh k~^ngg ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
HP *AN@>Kw RSTART 300 ！起始半径为300mm
NZ?| #5 3 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
{GM8}M~D& 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)；
}Q%fY&#(bp FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
<|_b: FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Ax"I$6 n> GLASS POS ！正透镜玻璃类型
8et.A G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
D sH`I %w{ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
J t,7S 4JL G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
{qkd63 X END ！以END结束，与GOALS呼应
,Jh ('r7 @dp1bkU SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
,1g*0W^ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
+i.b&PF'H ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
BdZO$ALXL ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
-(YdK8 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
/"%QIy'{ END ！以END结束，与AANT呼应
4*aNdh[t. GO ！启动程序
_Q3Ad>,U TIME ！计算时间
1F_ 1bAh$ Z`lCS
o; 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：
8GD!]t# 
hSyA;*)U 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：
Q8 r 7 
o4g<[X) 8{Id+Q>Vo,
xr \wOQ*` W!G2$e6
相应的局部放大镜头结构
Ood'kAH1B DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Ug|o ($CY PANT
<r{ )*]#l VLIST RD ALL
>f*[U/{ K VLIST TH ALL
63?fn~0\ END
wf8GH}2A AANT P
dQ4K^u AEC
K?o} B ACC
Aa;s.:? GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
044*@a5f GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
"nK(+ Z GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
fjAJys)Q M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
:
*Nvy={c M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
#j{!&4M ACC 10 .1 1
Eb<iR)e H= ACM 3 .1 1
"wPFQXU ACA
Gv,0{DVX< ASC
fYzOT, c END
Q(2X$7 iRq SNAP 0/DAMP 1.00000
=*YK6 SYNOPSYS 100
$I7/FZP
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。 M7(vI4V
GSEARCH输入如下： J0U9zI4
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 b:}`O!UBw
GSEARCH 3 QUIET LOG C ||A[JOS
d&p]O
SURF <4W"ne28
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 ~OXC 6z
END [z:bnS~yiD
Lw]:/x
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； QJ
ueU%|
NAMES ！玻璃名称 !t["pr\
?
G G-ZF52 OT9\K_
G D-FK61 J(\"\ Z
G H-ZF88 }V3 p <
G H-F51 O\ T
END ！以END结束 q)ygSOtj
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 PomX@N}1
GO ！启动程序
:ji_dQ8k 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
g no V>ON0 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
|Mp_qg?g 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
_gY
so]S^B 
1@Bq-2OD4
