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
L+ d4&x 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：
<[<]+r&* 图1 近红外镜头初始设计
Gt5'-Hyo Y lEV @ 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：
:gacP? RLE ！读取镜头
t/0h)mL} 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)
] ! :0^| FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
wNhtw'E8 LOG 3119 ！日志编码
5sK1rDN WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 %[7<GcWl APS 4 ！定义光阑面为表面4
R|O."&CAB 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
Wf!<Qot|R# UNITS MM ！
透镜单位为毫米
Fg -4u&Ik 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
)6,Pmq~) 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Zlf)
dDn 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
&?j]L4% 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
8f{;oO 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
F~${L+^ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
\,G7nT 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
ejI nJ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
/\|AH M 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
6qzy eli 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
o " ./ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
QR] 61v:` 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
qLh[B R 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
9q|36CAO_ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
>zY~")|R( 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
E A} Vb(2 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
@2Ca]2,4 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
RFqf$ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
tOf18V{a 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
} iCcXZ&5^ 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
-McDNM 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
bP 8O& R 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
\" W _\&X 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
I&Y 9 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
% V3xO% 8 TH 16.29978150
0?d}O j 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
`L1lGlt 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
)/ 2J|LxS END ！以END结束
e[AwR?= $2+(|VG4F 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
] v{TSP^/ 
y+.E} 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
C].w)B 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
,Xt!dT- k%S;N{Qh@ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
ZyQ+}rO 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
xIh,UW# 
~56F<=#, 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
]&l% L4Z 
L=9w
3VXS 2%F!aeX 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
wX!>&Gc. 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
gcNpA?mC|u DSEARCH输入如下： s.oh6wz CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
UA i] hUq TIME ！计算程序运行时间
1FQ_`wF4 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
A(#4$}!n5 SYSTEM ！透镜系统输入
:n t\uwh ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
ID1/N)5 6 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
hi(u L>\ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
,\cO>y@ UNITS MM ！透镜单位为毫米
c3NUJ~>=y END ！以END结束，与SYSTEM呼应
OY>0qj iB=v
>8l% GOALS ！目标设置
%ymM#5A ELEMENTS 5 ！元件数为5
3+v+_I>%k
FNUM 1.428 ！F数为1.428
,{ _;q: BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
6%&RDrn TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
6q !sm M STOP FIRST ！光阑面为表面1
9:l@8^_o STOP FIX ！光阑面固定
;0!rq^JG NPASS 100 ！程序
优化次数为100
82bOiN15 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
&InMI#0mV RSTART 300 ！起始半径为300mm
yj +HU5L4 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
z]J pvw`p 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)；
EN!Q]O | FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
(V xWa#P FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
%wD<\ XRM GLASS POS ！正透镜玻璃类型
MCcWRbE5# G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
kroO~(\ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
=p
lG9 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
9J!@,Zsh END ！以END结束，与GOALS呼应
0f<$S$~h NpIx\\d 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)
N))G/m3 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
[$D4U@mRp ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
qU) pBA ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
/` j~r;S ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
z'FJx2 END ！以END结束，与AANT呼应
W r%E}mX- GO ！启动程序
Td`0;R'<}c TIME ！计算时间
R3dCw:\O+Z J:q:g*Wi 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：
-brn &1oJ 
q ["T6 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：
gZ^NdDBO 
,X2CV INb} %Z"I=;=nxI
l {7q( Ao:<aX,=
相应的局部放大镜头结构
^?5 [M^ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
]} +
NT PANT
:] viLw\&g VLIST RD ALL
$ 4&
) VLIST TH ALL
hu
G]kv3F: END
BZP~m=kq AANT P
0{Kb1Ut AEC
A{!D7kwTz~ ACC
f t"B, GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
XA$Z 7_gu3 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
2
P=c1; GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
*)2& gQ&%+ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Of*z9 YI M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
{y[T3(tt ACC 10 .1 1
oA _,jsD4 ACM 3 .1 1
wjr1 ?c ACA
c%|18dV ASC
jE !W&0 END
lP!`lhc-^ SNAP 0/DAMP 1.00000
B@Ae2_ ; SYNOPSYS 100
T =l4Vb{>
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 FE`:1
GSEARCH输入如下： Vko1{$}t
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 )T=cd
GSEARCH 3 QUIET LOG fh1rmet&Ts
*:q ,G
SURF ZS-O, [
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 ~ vVsxC$.
END Dt9[uyP&
"0lC:Wu]
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； m|RA@sY%`
NAMES ！玻璃名称 9Okb)K95
G G-ZF52 H^N@fG<*dh
G D-FK61 /uc*V6Xd
(
G H-ZF88 qw!_ /Z3[
G H-F51 %D(%
lh2
END ！以END结束 `[.':"~2N
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 7h4"5GlO0
GO ！启动程序
K#B)@W?9 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
nJ.<yrzi 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Zz\e:/
在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
=)B@ `" 
QsaaA
MGY
