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
mxu !$wx 现有的近红外镜头设计文件为1.RLE，其保存路径为C:\Synopsys\Dbook\。我们首先选择该路径，然后在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>FETCH 1,点击‘Enter’键。再在CW中输入：SYNOPSYS AI>PAD,点击‘Enter’键。这样，即可获得近红外镜头初始设计结构，如图1所示：
zD<8. AIGC 图1 近红外镜头初始设计
g>#}(u!PH KfP g j 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
'1 fyBU RLE ！读取镜头
M ac?HI ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
_3NH"o
d FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
rZ)7(0BBs LOG 3119 ！日志编码
m8G/;V[x WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 0LSJQ9\p APS 4 ！定义光阑面为表面4
A0,e3gb NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
Im D&~^-_< UNITS MM ！
透镜单位为毫米
kY6_n4 OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
Eau
V 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
G:wO1f6 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
=zDvZ(5 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
?A24h !7 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
"q!*RO'a 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
:zvAlt' q= 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
d0f(U k 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
o*"Q{Xh#Qd 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
M _lLP8W} 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
|5&7 ;;$ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
XW\
3t tx 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
k7L4~W 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
!&`\MD>;~R 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
c,M"a 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
B@*!>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
hN\sC9a 1 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
Twr,O;*u= 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
yF_/.m I 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
-j:yE Z4Oy 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
)K`tnb.Pf 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
}_mMQg2>= 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
6+" gk( 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
i70\`6*;B 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
]{#Xcqx 8 TH 16.29978150
ipt]qJFd 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
-)KNsW 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
B[
D
s?: END ！以END结束
k,8^RI07@ =UWW(^M#[: 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：
P lT_]p 
Ke]'RfO\ 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。
>IA1 \?( 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。
E9t8SclV -7o-d-d F 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
a40>_;}:x 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：
:Z_abKt 
$
9E"{6;@ 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。
PI,2b(`h_ 
~ahu{A 4Bw V`YmGo 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。
N pQOLX/<? 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。
! L3| 5:j DSEARCH输入如下： aSJD'u4w.a CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
_F^ NX % TIME ！计算程序运行时间
5lM 3In@ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
jHA(mU )b SYSTEM ！透镜系统输入
O'.{6H;t ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
H`Zg-j` 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
>?G!>kw WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
c? GV UNITS MM ！透镜单位为毫米
TC@F*B; END ！以END结束，与SYSTEM呼应
N+H[Y4c?F& g2 mq?q(g GOALS ！目标设置
JRE\R&>g ELEMENTS 5 ！元件数为5
%\)AT" FNUM 1.428 ！F数为1.428
IlI5xkJ( BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
'P4V_VMK TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
:b _hF STOP FIRST ！光阑面为表面1
}*aj & STOP FIX ！光阑面固定
Zw%:mZ N
NPASS 100 ！程序
优化次数为100
i~M-V=Zg ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
%zDi|WZ RSTART 300 ！起始半径为300mm
fjuPGg~ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
vk M_a}%< 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)；
\8 v ZZ t FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
<;jg/ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
U^DR'X= GLASS POS ！正透镜玻璃类型
A8Ae M ` G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
KF! d? GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Q7UQwAN' G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
AP4s_X+= END ！以END结束，与GOALS呼应
W3^^a D- <K Stl fX 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)
h7 m$P^=U ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
U9 Q[K ` ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
5>=4$!` ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
04}c_XFFE ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
RmO kb~ END ！以END结束，与AANT呼应
oJ#;X R GO ！启动程序
j<9^BNl TIME ！计算时间
,ZO?D|M1 ?[ DV YP 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：
89P7iSV#* 
UF}Ji#fqn 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：
=vDDfPR 
OF; "%IW~} zY-?Bv_D
r CUs d4A:XNKB
相应的局部放大镜头结构
b'ir$RL] c DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
$`lGPi(Jc PANT
wARd^Iw VLIST RD ALL
d*@K5?O. VLIST TH ALL
3q6FV7Fv&b END
<u? \%iJ" AANT P
i.FdZN{ AEC
v`@N R06 ACC
GNW.n(a GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
%xp 69 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
F& lSRL+v GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
Z]Cd> u M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
b/E3Kse? M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Ty3.u9c4 ACC 10 .1 1
eF4f7>5Cv ACM 3 .1 1
N,F [x0&? ACA
lt\Bm<"z!1 ASC
SR<W3a\ END
i|S/g.r SNAP 0/DAMP 1.00000
F9r|EU#; SYNOPSYS 100
fEGnI\
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。 DD[<J:6
GSEARCH输入如下： 0^F!-b^z
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 &F*eo`o}6
GSEARCH 3 QUIET LOG T]\'D&P~D
xF
3Z>
SURF o}52Qi 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 Odw9]`,T
END EK\xc'6M
}5Km \OI
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； :1 v.Jk
NAMES ！玻璃名称 m; U_oxb
G G-ZF52 ZJ/K M W
G D-FK61 `<h Mrhfh
G H-ZF88 i
nk !>Z
G H-F51 fd&>p
END ！以END结束 Q0g^%
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 CWb*bw0
GO ！启动程序
I(z16wQ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
#f_. 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
hK %FpGYA 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
;RMevV w| 
`1lGAKv
