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
/1#Q=T
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：
9O T 4j Am 图1 近红外镜头初始设计
A<CXd t+t <O)X89dFM 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：
Fd,+(i D RLE ！读取镜头
MGyB8( 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)
vek:/'sj3p FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
YGV#. LOG 3119 ！日志编码
7oLf5V1~ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 f %[ukMj& APS 4 ！定义光阑面为表面4
*([)X2A@+ 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
o/ 9LK UNITS MM ！
透镜单位为毫米
?[1qC=[Z < 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
z/&a\`DsU 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
"mK i$FV 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
,3- -ERf 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
\ j X N*A 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
;(0$~O$3u 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
7O9hn2?e 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
#iU8hUbo 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
bd
P,Zqd 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
!5SQN5K 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
IgR"eu U 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
Y{2d4VoW6 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
5h=TV 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
q(tG bhQ 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
OC>_=i$ ' 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
r{2].31' 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
g_U~.?Db7 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
T\
}v$A03 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
n$|c{2]= 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
]v\egfW,W 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
46P6Bwobh 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
SM#S/|.] 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
u6Qf*_- K 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Li -(p" 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
G!VF*yW8 8 TH 16.29978150
|~b R.IA 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
5+/b$mHZX 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
'Ywpdzz[ END ！以END结束
Z'*Z @u3 hN _f h J 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
mh#FY Sp 
L}jF#*Q% 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
Jg|cvu-+ 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
> g >`!Sf lHKf#| 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
:IR9=nhS] 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
d=Df.H+3 
24jtJC,7 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
'uKkl(==% 
w*u{;v# {s8U7rmML 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
p uS&S
* 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
3 IWLBc DSEARCH输入如下： Yb%-tv: CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
bKuj
po6 TIME ！计算程序运行时间
^K.u
~p DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
=%3b@}%HqS SYSTEM ！透镜系统输入
Gh2Q$w: ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
N=T.l*8 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
2\nN4WL
5. WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
Rj} o4s2x UNITS MM ！透镜单位为毫米
@ 2!C^}d3F END ！以END结束，与SYSTEM呼应
fzS`dL5,W rXY ;m- GOALS ！目标设置
Z%+BWS3YqY ELEMENTS 5 ！元件数为5
`D)Lzm R FNUM 1.428 ！F数为1.428
nJl eef9 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
| /;U)M TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
%0yS98']g STOP FIRST ！光阑面为表面1
1^L`)Up STOP FIX ！光阑面固定
p"[O#*p NPASS 100 ！程序
优化次数为100
dCZ\ S91q ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
8VP"ydg-U RSTART 300 ！起始半径为300mm
=9pw uH TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
G` , u40a 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)；
79SqYe=&uy FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
n w0L1TP/J FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
69C8-fF0[I GLASS POS ！正透镜玻璃类型
zb5N,!%r G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
W}XYmF*_? GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
_\dt?(m| G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
8M^wuRn END ！以END结束，与GOALS呼应
o3n3URu\ L`UG=7r q 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)
K DYYB6| ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
iW|s|1mh3 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
PMgQxM*h ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
!TP6=ks ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
?&znUoB END ！以END结束，与AANT呼应
~{kM5:-iw GO ！启动程序
,AH0* L TIME ！计算时间
4!l
sk:R N%9 h~G 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：
`, wc Q 
# (%t*"IY; 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：
~{L.f94N 
~ww ?Emrw V43nws "4
i`prv& Tu ]&^[B('
相应的局部放大镜头结构
V:
^JC>6 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
n6b3E * PANT
8> UKIdp VLIST RD ALL
R?
O- x9 VLIST TH ALL
T H|?X0b END
u8Y~_)\MA AANT P
dQ: ?<zZ AEC
L@w0N)P<!{ ACC
l8z%\p5cR GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
GDF{Lf)/v GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
NQ? x8h3 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
NuU'0_")/ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
W_^> M Lq M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
3bWum ACC 10 .1 1
hwiKOP ACM 3 .1 1
I(pb-oY3!I ACA
L 5+J
^ ASC
UL+E,= END
EMLx?JnP SNAP 0/DAMP 1.00000
a`#S|'oatC SYNOPSYS 100
(]2<?x*
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。 Cz_AJ-WR
GSEARCH输入如下： *|mz_cKu
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 J"-_{)0lD
GSEARCH 3 QUIET LOG ITONpg[f
yI8 SQ$w0y
SURF 7Yuk
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 A8J8u,u 9
END 5O&d3;p'
C` pp
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； "Nbos.a]5
NAMES ！玻璃名称 'Q5 &5UrBr
G G-ZF52 KxY$PgcC
G D-FK61 <P1rq M9^
G H-ZF88 U R}kB&t
G H-F51 l]H0 g[
END ！以END结束 4IZlUJ?j+c
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 AM'gnP>
GO ！启动程序
?w*yW;V` 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
wxj>W[ V 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
r@iASITX 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
m4@MxQm 
!i^]UN
