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
*(n u0 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：
i6E ~]&~.v 图1 近红外镜头初始设计
bWMb@zm !:1BuiL 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：
/tq e:* RLE ！读取镜头
ES[]A&tf 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)
a,[Nc dG FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
l q)[ LOG 3119 ！日志编码
tU>4?`)E WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 J8DKia|h( APS 4 ！定义光阑面为表面4
4aG}ex-s| 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
- 4S4I UNITS MM ！
透镜单位为毫米
IVG77+O# } 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
M =GF@C;b 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
,f[Oy:fr 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
@G=_nZxv 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
iM{cr&0 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
-M`+hVs? 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
;7g~4Uv4} 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
7T=:dv 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
\0^Je>-:U 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
oF5~|&C 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
4 zf( 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
'zYx4&s 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
Qh4Z{c@ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
QeD ;GzG 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
N1'$;9 c 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
e:= +~F(f 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
=OooTZb:x- 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
$(pVE}J 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
i7xBi:Si 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
qLm
g18 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
[L>AU;
: 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
ngH_p > 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
2Xp?O+b#"O 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
CNyV6jb 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
s!/Q>A 8 TH 16.29978150
-@`!p 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
,a}
vx"~ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
o,=dm@j END ！以END结束
-&r A<j F2mW<REg{ 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
-2*Pm1\Z 
7.C~ OrGR 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
-<aN$O 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。
$U}GX'1LZ EY[J;H_b 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
7bx!A+, t 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
R}\n @ X* 
0-zIohSJdQ 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
dL>8| 
c=~FXV! O4Hc"v 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
k>7 2W/L^ 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
@# &y DSEARCH输入如下： . 06[*S CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
:HDU \|{^ TIME ！计算程序运行时间
L2^M#G@t DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Py-}tFr SYSTEM ！透镜系统输入
%PxJn Mb? ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Ct 30 EZ OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
lAx^!#~\ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
MbjMO"} UNITS MM ！透镜单位为毫米
:<>=,`vQD END ！以END结束，与SYSTEM呼应
y4 ~;H{! d@_| GOALS ！目标设置
I]Jz[{~1 ELEMENTS 5 ！元件数为5
GJ4R f% FNUM 1.428 ！F数为1.428
uvj`r5ei BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
e2$k
%c~ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
8iwqy0< STOP FIRST ！光阑面为表面1
A>W8^|l6+- STOP FIX ！光阑面固定
tu0agSpU NPASS 100 ！程序
优化次数为100
B]|"ePj- ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
2/V9Or 52 RSTART 300 ！起始半径为300mm
z\ ?cazQ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
T_*R^Ukb5 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)；
\*k}RKDwT FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
<hSrx7o FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
LHJjPf)F GLASS POS ！正透镜玻璃类型
Kn+m9 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
HCTjFW>C GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
x*2' I G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
U<H<
!NV END ！以END结束，与GOALS呼应
|] 8Hh> ]S #m
o 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)
4` z frT^ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
UuvI ? D ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
S 8$kxQg ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
X F 8$ D ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
KZ ;Q7 1 END ！以END结束，与AANT呼应
yDW$v/j.| GO ！启动程序
7BDRA},o TIME ！计算时间
jLu`DKB J}UG{RttI 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
<"Cacf g 
G 0;5I_D/ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
Ysz&/ry 
HKZD*E(( !9knF t43
u !VAAX PtT=HvP!k
相应的局部放大镜头结构
{Ex*8sU%p% DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
B5Y
3GWhrx PANT
b7_uT`< VLIST RD ALL
aOH$}QnS VLIST TH ALL
&hb:~> END
%8a886;2 AANT P
!$i*u-%4 AEC
]c' 12 g]h ACC
SuU_psF
GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
l SzLR~=Au GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
[j]3='2}G GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
|3A/Og M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
sw'?&:<"Ow M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Pgg\(D#X` ACC 10 .1 1
Rr|&~ %#z ACM 3 .1 1
8(EK17rE ` ACA
Mr3;B+S ASC
=
UT^5cl( END
D<
h+r? SNAP 0/DAMP 1.00000
(!@
Q\P SYNOPSYS 100
}(/")i4h
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。 8>
-3G
GSEARCH输入如下： l12_&o"C~
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 %ur_D Q
GSEARCH 3 QUIET LOG K9YD)351t
@1w9!\7Vt
SURF y.l`NTT] <
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 (A\p5@ht
END Y Gj3W.eH
kt ILKpHt"
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； u ::2 c
NAMES ！玻璃名称 _ xAL0 (
G G-ZF52 Wx<fD()
G D-FK61 Vg0$5@
G H-ZF88 EN =oA P
G H-F51 ]}~[2k.
END ！以END结束 ;gC.fpu
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 g0P^ O@8
GO ！启动程序
&F*L=Ng 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Sj$XRkbj: 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
&{Zt(%\ ' 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
YtzB/ q8I 
&3Q!'pJJ
