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
({}JvSn1 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：
S-\;f jh
图1 近红外镜头初始设计
#PpmR _IX nDvj*lZF 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：
< g|\]\C| RLE ！读取镜头
VnB"0 "%w 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)
`}YCUm[SI FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
1 \_S1ZS LOG 3119 ！日志编码
&nk[gb
o\ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 2O^7zW APS 4 ！定义光阑面为表面4
Qyr^\a;k' 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
-_@3!X1~i+ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
451TTqc 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
8MH ZWi 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
VgHVj)ir 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
Tq7cZe"6 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
~hSr06IY 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
D.hj9 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
%,G&By& , 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
;-: Nw6 E 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
0T{Z'3^= 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
%B&y^mZv*\ 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
> :s#MwIwm 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
jU~
! *] 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
$y\ \ ?
3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
tp-PE ? 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Uk=-A
@q 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
-^i[ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
b42"Y,sbB 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
[J'O5" T 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
l0^~0xlED 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Hp 2y sU 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
?=X G#we 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
o\oS_f:RD 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
&QaFX,N" 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
y6 bl&_ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
\z A G#{ 8 TH 16.29978150
0:Ow$ 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
gZI8 8Q 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
&&/2oP+z END ！以END结束
L 1FT h dX4"o?KD> 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：
^h}xFiAV# Fc{X$hh<
n2NxO0 8ug\GlZc 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
}pOem} 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
\t6k(5J 8J }gj7^8 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
yHY \4OHS 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
|~ 'PEY z?NMQ8l|:6
Rt
&Oz!TQ 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
IkzY \uT2)X( N
;<j[0~qp: 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
Y7TW_[_u 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
r5h+_&v,M DSEARCH输入如下： eI%{/> CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
Sn(e@|!G TIME ！计算程序运行时间
f@3 ?kM( DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
8|5ttdZ SYSTEM ！透镜系统输入
F }/t V 7m ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
CK<Wba OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
/i'dhiG WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
FaNr}$Pe UNITS MM ！透镜单位为毫米
pX5#!) END ！以END结束，与SYSTEM呼应
^lB=O m&o6j>C GOALS ！目标设置
;'E1yzX^ ELEMENTS 5 ！元件数为5
Fx6c*KNX3
FNUM 1.428 ！F数为1.428
S}@J4}*u[" BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
q%g!TFMg TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
G?p !*7N STOP FIRST ！光阑面为表面1
}XJA#@ STOP FIX ！光阑面固定
8 ` QbUQ6 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
(n4\$LdP- ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
] LcCom:] RSTART 300 ！起始半径为300mm
` 7v"( TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
)Z.v fc 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)；
re]e4lZ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
.uo9V L< FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
DZ-2Z@{PX GLASS POS ！正透镜玻璃类型
'T!^H G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
u,E _Ezq GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
,;&j*qFi G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
O[$,e% END ！以END结束，与GOALS呼应
b3'U }0Ug 0j}!4D+ SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
v[++"=<
o8 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
}Kt`du= ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
V8Lp%*(3 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
M<nKk#!+h ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
h83W;s END ！以END结束，与AANT呼应
/AT2<w GO ！启动程序
VLdQXNg9W" TIME ！计算时间
0bl?dOV{ |^S{vub 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
QfdATK P d[0 R#2y=
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
]AB<OjF1c| ^k* h
5_H`6-q
C\3;o]
q(Q$lRj/I-
相应的局部放大镜头结构
[w1 4hHnq DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
})V^t 3 PANT
IqA'Vz,lL VLIST RD ALL
?:sk [f6 VLIST TH ALL
S S)9+0$ END
eYpK!9 AANT P
r pB0?h!$ AEC
o)V@|i0Js ACC
k1.h |&JJN GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
xWiR7~E GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
/h(bMb Z GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
~; V5*t M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Bu ]PNKIi M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
prk@uYCa = ACC 10 .1 1
^t 2b`n60 ACM 3 .1 1
F|wT']1Y ACA
qh]D=i ASC
z^FJ END
)/p=ZH0[ SNAP 0/DAMP 1.00000
ITt*TuS 2c SYNOPSYS 100
d,5,OJY2f
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。 -4;$NiB?
GSEARCH输入如下： # n_ gry!5
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 )8Q;u8jm1
GSEARCH 3 QUIET LOG x+Ws lN 2a
~WW!P_wI,
SURF
A)5;ae
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 p0|PVn.^h
END ['%$vnS5S
)` ^/Dj;
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； A!:R1tTR;S
NAMES ！玻璃名称 Y 9SaYSX
G G-ZF52 Clo}kdkd_
G D-FK61 nu6p{_M
G H-ZF88 %(X^GL
G H-F51 r ,r"?}Z
END ！以END结束 !r#36kO
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 *-vH64e
GO ！启动程序
sqv!,@ *q 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
X t%y>'. 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
4 }r.g0L 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
$ dR@Q?_{ p[8H!=`K
