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
uU (G &:@ 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：
U">J$M @ 图1 近红外镜头初始设计
P\ \4 w)C cs E 9Ns 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
&09z`* , RLE ！读取镜头
&os9K) ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
9Axk- c FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
-5,QrMM< LOG 3119 ！日志编码
9n{tbabJ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 w"d~R APS 4 ！定义光阑面为表面4
XH4!|wz NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
Qj: D=j8 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
p pr95 Y]^ OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
Gxu 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Awl4*J~ 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
kG_ K &,;@ 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
Ug>yTc_(7 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
^2E\{$J 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
ry9%Y3 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
3a PCi>i!_ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
:e> y=
s> 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
WNSf$D{p 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
cF!ygz// 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
Nq'Cuwsp 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
J'^H@L/E 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Kp?):6 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
USfpCRj9 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
+F3 @-A 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
K3*8JF7_F 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
GJz d4kj 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
#<d f!) 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Yqz(@( % 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
&!>
)EHGV 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
X`bN/sI 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
19-|.9m( 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
N,U<.{T=A 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
rlG& wX 8 TH 16.29978150
=au7'i |6 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
<#AS[Q[N 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
8 CKN^8E END ！以END结束
eh_ {- g4USKJ19. 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：
pN# \ 
>zcR ?PP s 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。
!K a!f1 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。
# \9sCnb ,b;eU[!] 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@&g9e6E 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：
~lO^ C 
xo{3r\u?} 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。
oE:9}]N_ 
N8a+X|3]0 Y1 RiuJtL 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。
IG@.W sM_ 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。
P5 GM s DSEARCH输入如下： A0{ !m CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
={& }8VA TIME ！计算程序运行时间
dXr=&@ 1 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
zK.%tx}+=k SYSTEM ！透镜系统输入
3S4'x4* ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
rPaUDR4U 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
FPj j1U`C WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
!Ld0c4 UNITS MM ！透镜单位为毫米
MZp ` END ！以END结束，与SYSTEM呼应
YC!Tgb~H pw;
GOALS ！目标设置
-I."= c% ELEMENTS 5 ！元件数为5
(!kd9uV FNUM 1.428 ！F数为1.428
u l[ edp_ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
EHpIb j;n TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
tXj28sh$ STOP FIRST ！光阑面为表面1
CZ &VP% STOP FIX ！光阑面固定
AIZs^
`_ NPASS 100 ！程序
优化次数为100
&k'J5YHm8H ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
y bWb'+x RSTART 300 ！起始半径为300mm
C1=7.dPr TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
E.*TJ 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)；
+EI+ @hS FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
R.n:W;^` FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
;-SFK+)R" GLASS POS ！正透镜玻璃类型
}yM /z G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
>KF1 ]/y< GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Gao8!OaQ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
H/!_D f END ！以END结束，与GOALS呼应
k.Tu# 7 jP*5(*[&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)
5Fh?YS = ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
5I #L|+ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
#i$/qk= N ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
5?-cP?|.9 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
L,!3 END ！以END结束，与AANT呼应
3`y9V2&b GO ！启动程序
qs\ O(K8 TIME ！计算时间
{Rc!S? 8 &?~OV:r9 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
l| 1O9I0Gd 
8?ig/HSt2 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
vZEeb j 
M4h zf qmzg68
`- ) !4oJ] QWt ?` h=
相应的局部放大镜头结构
R@lmX%Z1 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
=`VA_xVu PANT
K-D{Z7J^l VLIST RD ALL
AvW2)+6G VLIST TH ALL
h oy+J/ END
5xJyW`SWz AANT P
Pba 6Ay6B AEC
;CbQ}k
ACC
\0 &7 ^ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
i <KWFF# GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
<b 0;Nf
GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
1~!
4 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
&Nf10%J'< M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
&\ (p<TF ACC 10 .1 1
z+ybtS>pZ ACM 3 .1 1
.
J "g.Q ACA
') pXQ ASC
2[WH8l+ END
<
C54cO SNAP 0/DAMP 1.00000
]y*AA58; SYNOPSYS 100
F
Qtlo+ 3
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 j=U
[V&T
GSEARCH输入如下： 9f
,$JjX[
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 F,2)Udim
GSEARCH 3 QUIET LOG 2qEm,x'S
o(~QuHOp8>
SURF sflH{!;p
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 Wj2 s+L7,
END \x JGR!
BMlnzi
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； O*MC"%T
NAMES ！玻璃名称 9NCo0!Fb
G G-ZF52 a]NQlsE}l
G D-FK61 W5a)`%H
G H-ZF88 J!?hajw7N
G H-F51 9IFK 4>&O6
END ！以END结束 v-`RX;8
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 &A=>x
GO ！启动程序
Fb#_(I[aj 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
63b?-.!b 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
?yKW^,q+ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
w_-v!s2 
m jdZ ^
