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
%HVD^. V 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：
GVZ TDrC 图1 近红外镜头初始设计
e3pnk
=u UeNF^6sWu0 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：
<K,[sy&Qy RLE ！读取镜头
S2bexbp0o 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)
w_ !%'9m> FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
&~}@u[=ux LOG 3119 ！日志编码
,0,Oe=d WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 w -M7opkq APS 4 ！定义光阑面为表面4
v!KJ|c@m 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
GqMB^Ad UNITS MM ！
透镜单位为毫米
s" N\82z) 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
@R f^P( 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
SlT7L||Ww 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
cPSti 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
c~37 +^B: 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
df yrn%^Ia 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
St_S l:m$ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
}Wqtip:L 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
s4N,^_j 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
}9
?y'6l 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#i9# aB 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
]y}Zi/zh 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
~\3l!zIq 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
wZ
O@J| 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
N|o> %)R 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
Z"]xdOre 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
*iYMX[$ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
!L/tLHk+ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
4NJVW+:2 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
88#N~j~P 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
Z|}H^0 ~7S 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
i"< ZVw 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
- G FwFkWm 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
:Fc8 S9 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
d;<.;Od$` 8 TH 16.29978150
k5 q(7&C 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
|MVV +.X 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
'Z y{mq\ END ！以END结束
u !M& ;QL 8z?$t-D O 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：
}&C dsCM>2 
3eJ\aVI>pE 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。
}tu4z+T 2 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。
s
*K:IgJ/ .a5X*M] 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
~R)1 nN| 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：
t&3 8@p 
1 T:)Zv' 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。
$f9 ,##/ 
GsI[N% wQ@Zw bx 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。
[1e.i 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。
4a #B!xW DSEARCH输入如下： 9#Z zE/ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
BF>T*Z-Ki TIME ！计算程序运行时间
vs* >onCf DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
e#K rgUG SYSTEM ！透镜系统输入
* q+oeAYX ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
LE<:.?<Z- 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
PE^eP}O1 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
]Qh[%GD UNITS MM ！透镜单位为毫米
$ V3n~.= END ！以END结束，与SYSTEM呼应
y|$ vtD%c u<x[5xH+ GOALS ！目标设置
{`($Q$Q1 ELEMENTS 5 ！元件数为5
7? +5%7- FNUM 1.428 ！F数为1.428
5aa}FdUq BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
b$PT_!d TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
/5&3WG&<u STOP FIRST ！光阑面为表面1
O 0Vn";Q 4 STOP FIX ！光阑面固定
8 .:B=A NPASS 100 ！程序
优化次数为100
+Kxe ymwr2 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
Z3OZPxm RSTART 300 ！起始半径为300mm
E {I)LdAqK TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
?f(pQy@V QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
Iv Y,9D FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
-7&^jP\, FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
U f= vs( GLASS POS ！正透镜玻璃类型
+Z Y2a7uI G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
L[ `R8n1C GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
' #;,oX~5 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
' m END ！以END结束，与GOALS呼应
C3&17O6 0f_66` SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
w:~nw;.T ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
SH .9!lQv ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
JsZAP ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
AGw1Pl8]K ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
AsTMY02| END ！以END结束，与AANT呼应
8<wtf]x GO ！启动程序
Oex{:dO "F TIME ！计算时间
#j(q/
T{x W;xW:
- 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
O|A~dj ` 
Y\ #.EVz 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
2hjre3"? 
Z"teZ0H @2 x0V]AI
(mD-FR@# EuR !yD
相应的局部放大镜头结构
qat45O4A1 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
9} K(Q= PANT
# u}v7{4 VLIST RD ALL
gb!@OZ c VLIST TH ALL
l%-67( END
.FfwY 'V AANT P
=)"N E> AEC
0 .6X{kO ACC
`d G.L GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
>/ *?4 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
l<0[ K ( GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
/xX,
M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
v*C+U$_3\1 M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
*:fw6mnJ# ACC 10 .1 1
g:~?U*f- ACM 3 .1 1
?3B t ;<^ ACA
H{Y5YTg] ASC
qd#(`%_/ END
nN_94
ZqS< SNAP 0/DAMP 1.00000
ims=-1, SYNOPSYS 100
c Eh0Vh-]
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。 _{2Fx[m%
GSEARCH输入如下： ,q'gG`M
N
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 <{-(\>f!9
GSEARCH 3 QUIET LOG b] tA2~e
q N[\J7Pz9
SURF q>(I*=7
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 84hi, S5P
END $BR=IYby
_.Z&<.lJ
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； kMJQeo79
NAMES ！玻璃名称 }Uqa8&
G G-ZF52 OI]K_ m3
G D-FK61 4$q )e<-
G H-ZF88 M'>D[5;N~
G H-F51 *`S)@'@:(
END ！以END结束 x|,aV=$o
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 gN!E*@7
GO ！启动程序
"Dmw - 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Nw3I 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
0T{c:m~QXe 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
98b9%Z'2f 
&"r==A?
