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
A] 9JbNV 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+G )&<a^ 图1 近红外镜头初始设计
{ 1%Zy Y MDP M OA 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：
mmL~`i/ RLE ！读取镜头
<3 }l8Z 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)
W wha?W> FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
*F* X_O LOG 3119 ！日志编码
xW = $j| WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ([*t. APS 4 ！定义光阑面为表面4
Ji[g@ # NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
zIFL?8!H9{ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
(Y)h+}n5N OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
%#9 ~V 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
PNgMLQI6 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
GJs[m~`8# 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
fJ2{w [ne 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
%Be[DLtE" 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
sV[Z|$&Z 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
5-HJ&Q 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
lM*O+k 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
rj~ia n 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
ssITe., ny 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
e0HP~&BRs 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
:, [ !8QP 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
?w/nZQWi 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
z|*6f FE 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
3 ?F@jEQk 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
"v!HKnDT 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
gc3 U/
jM 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
~q(C j"7 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
0t?<6-3`/ 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
9Fx z!-9m 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
t[,T}BCy. 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
MIF[u:& 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
#.+* G`m 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
jA4v?(AO}# 8 TH 16.29978150
b^DV9mO4J 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
G@ EjWZQ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
8M+F!1-# END ！以END结束
_np>({ zl
0^EltiU 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：
up3<=u{>
<S@mQJS!y 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。
,
)pt_"-XA 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。
k`mrRs B9)q v>m 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
36WzFq# 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：
C%?D E@k 
a~>0 JmM+N 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。
'Oy5G7^R 
:$Q]U2$mPS mRnzP[7-\) 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。
F"f}vl 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。
k=~pA iRDN DSEARCH输入如下： wQrPS CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
Y1_6\zpA TIME ！计算程序运行时间
h8= MVh(I DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
~K#_'Ldrd SYSTEM ！透镜系统输入
\3(| c#c ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
? CW^*S o 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
q MdtJ(gq WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
t2%@py*bU UNITS MM ！透镜单位为毫米
_ KhEwd END ！以END结束，与SYSTEM呼应
'j<:FUDJ ^_S-s\DW GOALS ！目标设置
f+aS2k(e> ELEMENTS 5 ！元件数为5
fRa- bqQ FNUM 1.428 ！F数为1.428
{S" BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
'"fU2M<. TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
? ]:EmP STOP FIRST ！光阑面为表面1
awSS..g}L STOP FIX ！光阑面固定
\%?8jQ'tX NPASS 100 ！程序
优化次数为100
t k/K0 u ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
!_z<W~t" RSTART 300 ！起始半径为300mm
@1SKgbt> TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
i&'^9"Z)O 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)；
J%-l w{FC FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
<
J<;?%] FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
uZ`d&CEh GLASS POS ！正透镜玻璃类型
"K$ Wh1<7 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
8&A| )ur4 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
G5nj,$F+ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
:*&9TNU E@ END ！以END结束，与GOALS呼应
> ?{iv1
k E#_Pc SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
PxVI {:Uz ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
;GgQ@ s@ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Jyz$&jqyr' ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
x [{q&N!"` ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
mA] 84zO END ！以END结束，与AANT呼应
>gZk
581/ GO ！启动程序
Fb{`a[& TIME ！计算时间
"J[i=~( id#k!*$7 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：
7ru9dg1? 
e" s {_V 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：
mp+\! 
lgjoF_D qvfAG 0p
#SihedWi {?>bblw/d
相应的局部放大镜头结构
$YGIN7_Gg DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
5Ckk5b PANT
5nxS+`Pn.) VLIST RD ALL
;/)Mcx] n VLIST TH ALL
),y!<\oQ END
bUAR<R'E AANT P
u5{5ts+: AEC
10l1 a4 ACC
X~)V )'R GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
uR B)g GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
/VmCN]2AZ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
/,uSCITD M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
#EQx M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
gSv[4,hXd ACC 10 .1 1
;oY(I7 ACM 3 .1 1
Z *)y.i ` ACA
74}eF)(me ASC
1hMX(N&| END
p'%: M SNAP 0/DAMP 1.00000
0,~6TV<K SYNOPSYS 100
n$OE ~YwP{
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。 /50g3?X,
GSEARCH输入如下： l#5~ t|\
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 _,Rsl$Tk'
GSEARCH 3 QUIET LOG !}L~@[v,uL
S`W'G&bCj
SURF VT5cxB<
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 #A|D\IhF
END iBtjd`V*
fOK+DT~
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； e$ XY\{
NAMES ！玻璃名称 ! 0!U01SWa
G G-ZF52 MR?*GI's
G D-FK61 'Ffy8z{& 3
G H-ZF88 yS ixYt
G H-F51 # 4P3xa
END ！以END结束 KT LbqSS\
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ?2?S[\@`0U
GO ！启动程序
]M +V SU 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
zldfRo\wl 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Bg 7j5 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
,TKs/-_? 
tL={ y*
