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
#GqTqHNE< 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：
{`.O|_b 图1 近红外镜头初始设计
.?#uxd~> J l7z|Q S 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：
r25Z`X Z RLE ！读取镜头
fB# XhO 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)
,9/5T : 2 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
Q2 ~5" LOG 3119 ！日志编码
?=|kC*$/G WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 Ht=$] Px APS 4 ！定义光阑面为表面4
S6 }QFx 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
/! ^P)yU, UNITS MM ！
透镜单位为毫米
O<,r>b, 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
~y\:iL//E 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
-2NwF4VL 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
LR$z0rDEM 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
EZ% .M*? 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
Q(\ wx 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
N
<pbO#e 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
StM/ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
B3 L4F" 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
t9*= 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
%RFYm 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
Kd{ #r/HZ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
{$TZ }z"DA 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
WV _`1hZX 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
~ v1W 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
VJ1*|r, 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
8gpB z'/, 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
Hcl"T1N* 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
IrO +5 w 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Wu{&;$ 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
*h,3}\ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
#Go(tS~o 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
Y.
TYc; 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
G)+Ff5e0L[ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
dI K{MA 8 TH 16.29978150
H'Iq~Ft1 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
91;HiILgT
9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
^-L{/'[8M END ！以END结束
]GS ~i+ =M <$C< Ba?;? 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
.;%q/hP 
|4xo4%BQ> 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
9[f%;Wa S 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
:1BM=_WwI l4 `^! 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
"w^Nu6 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
NTVHnSoHh 
C@) pmSQ 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
3jg'1^c 
V#H8d_V SEU\}Ni{ 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
Xv*}1PZH 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
(.
H ]| DSEARCH输入如下： {tmKCG CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
=f4< ({9 TIME ！计算程序运行时间
7AeP Gr DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
|Pf(J;'[ SYSTEM ！透镜系统输入
2|s<[V3rP- ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
zze z~bv7: OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
Ut':$l= WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
%6Rp,M9= UNITS MM ！透镜单位为毫米
iRou Ld END ！以END结束，与SYSTEM呼应
aYBTrOd z skK*OO 2- GOALS ！目标设置
R%W@~o\p] ELEMENTS 5 ！元件数为5
wVQdUtmk FNUM 1.428 ！F数为1.428
Rj&qh` BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
9^p 32G TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
W7W3DBKtSm STOP FIRST ！光阑面为表面1
uwId STOP FIX ！光阑面固定
a.CF9m5]c NPASS 100 ！程序
优化次数为100
$ {@q?iol ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
.5^a;`-+ RSTART 300 ！起始半径为300mm
3~:0?Zuq TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
4y1> 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)；
kI<Wvgo L FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
(`F|nG=X FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
?Oq zd$- GLASS POS ！正透镜玻璃类型
1ThwvF%Qo G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
E0T&GR@. GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Y.(v{l G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
>6k}HrS1V END ！以END结束，与GOALS呼应
s`r-v/3l 8Kk 3_ y 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)
SF"#\{cjj ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
Jxn3 $ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
A1=_nt )5 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
%`eJ66T ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
fqN75['n END ！以END结束，与AANT呼应
PqVW'FYe GO ！启动程序
h)^dB,~ TIME ！计算时间
uFC?_q?4\ CJv> /#$/F 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
IO*l vy 
?Q;kZmQl 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
;m' '9z)2 
MSK'2+1T@g 5St`@
rAM *\=
Ny.*G@&
相应的局部放大镜头结构
& & 6*ez DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
^l--zzO 8l PANT
epn#qeX VLIST RD ALL
IX"ZS VLIST TH ALL
G
*ds4R?! END
:fRmUAK% AANT P
6k:y$,w AEC
q Frt^+@ ACC
E(%
XVr0W GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
6g}^Q?cpV# GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
\QliHm! GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
7Pwg+| M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
]7v 81G5E M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
ax4*xxU ACC 10 .1 1
U@#?T ACM 3 .1 1
xLe
=d |6 ACA
l6V%"Lo/) ASC
ud yAP> END
Cca6L9 % SNAP 0/DAMP 1.00000
K2*1T +?X SYNOPSYS 100
Y 5Qb4Sa
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#^ _"GX
GSEARCH输入如下： D*CIE\+
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 JOJh,8C) 6
GSEARCH 3 QUIET LOG >~h># {&
VPWxHVf
SURF u/_Gq[Q,u
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 8oa)qaG1
END ;0;3BH A
==nYe { 2
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 9!5b2!J L
NAMES ！玻璃名称 -E6J f$
G G-ZF52 N )'8o}E
G D-FK61 ?hxK/%)
G H-ZF88 6
M*b 6
G H-F51 CKx\V +\O
END ！以END结束 :-$cdZ3E
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 /z/ hUa
GO ！启动程序
'&N: S- 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Km[]^;6 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
6 lN?) <uQ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
^Vl^,@ 
^Yf3"D?&
