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
S|[UEU3FpB 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：
E;qwoTmul 图1 近红外镜头初始设计
w.8~A,5}Dh nqBu C 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：
_(hwU>. RLE ！读取镜头
82X. 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)
+@Y[i." ^J FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
(Y>MsqwWfC LOG 3119 ！日志编码
T rrh`@R WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 0
OBkd APS 4 ！定义光阑面为表面4
?@1'WD t 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
`T70FsSJ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
-)oBh 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
tX251S 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
L9T u >4 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
_#C}hwOR>X 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
fDd !Mt 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
6"7qZ q 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
>-P0wowL 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
R*X2Z{n 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
+!v RU` 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
Z=0W@_s 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
=@2V#X]M* 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
qedGBl& 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
|Z ,G
3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Aq!['G 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
spJ(1F{|V 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
? ?Zmj:8E' 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
9#<Og>t2y 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
F :S,{&jB 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
%K"%Qm=Tl 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
QCR-l xO1 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
j&A3s{S4A 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
(fa?f tK 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
2JP?6N 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
#ja`+w} 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
`?JgHk 8 TH 16.29978150
Jj:6
c 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
u4@e =vW I 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
:OCux Sc%5 END ！以END结束
It4z9Gh Hc]1mM 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：
VA'X!(Cv 
hX m} d\ 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。
S |>$0P4W( 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
`{F~'t[' 0j(jJAE. 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
nud=uJ"( 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
OZD!#YI 
_-]!;0E IV 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
*O> aqu 
hG7S]\N_ Reu{
接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
\bm6/fhA: 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
4;RCPC DSEARCH输入如下： UZP6x2:= CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
&_d/ciq1f TIME ！计算程序运行时间
|<-F|v 9og DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
lVdT^"~3 SYSTEM ！透镜系统输入
IzdTXc
f ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
xwnoZ&h OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
1Xr"h:U_X WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
t*d >eK`:N UNITS MM ！透镜单位为毫米
+xfW`[.{ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
fu<2t$Cn> x
XM! E
8 GOALS ！目标设置
EB5_; ELEMENTS 5 ！元件数为5
!?o$-+a| FNUM 1.428 ！F数为1.428
^qO=~U!{ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
7TkxvSL X TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
Z .':&7Y STOP FIRST ！光阑面为表面1
vA"niO STOP FIX ！光阑面固定
^2^|AXNES NPASS 100 ！程序
优化次数为100
u:$x6/t ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
030U7 VT1 RSTART 300 ！起始半径为300mm
HNy/ - TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
q|o |/ 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)；
O R<"LTCL FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
pzq; vMr FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
*Z`XG_ s5 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
LuP?$~z G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
- ~\. n GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
jD/7 /G* G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Q"|kW[Sg END ！以END结束，与GOALS呼应
Mf:M3H%YV+ Z-SwJtWk 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)
P$18Xno{ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
l]Ui@ X ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
8.CKH4h ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
?o rh JS ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
a, ~D+s;^ END ！以END结束，与AANT呼应
} B"|z'u GO ！启动程序
+z |UpI TIME ！计算时间
hA*Z'.[ ?Z Rkn+; 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
/e|[SITe 
0aC 2 Pym^ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
M_h8#7 {G 
`M?v!]o }2q l?K
eb!s '@ ,$h(fM8GC
相应的局部放大镜头结构
1Sg|3T8bGT DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
N )zPx Q PANT
]eYd8s+ VLIST RD ALL
K[uY+!'1 VLIST TH ALL
> 'aG /( END
"($ Lx AANT P
dU oWo3r= AEC
9D OkQnnc ACC
Ak5[ PBbW GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
>-5td=:Z GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
jq57C}X}2 GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
=6c y E M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
_BG8/"h32 M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
x0\ e<x9s ACC 10 .1 1
^^7L"je]g ACM 3 .1 1
#y= ZP:{:t ACA
M*5,O ASC
L#` 2.nU END
}_{y|NW SNAP 0/DAMP 1.00000
E?Zb~xk SYNOPSYS 100
5L Qk8NPh
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。 `FA) om
GSEARCH输入如下： ^I X%dzM
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 VK2@2`$
GSEARCH 3 QUIET LOG { p1lae
nJFk4v4:2
SURF >u=%L z"J
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 [ rQMD^:M$
END EKZA5J7kn
|DN^Nht E
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； w4\BD&7V
NAMES ！玻璃名称 X=v~^8M7%
G G-ZF52 t< sp%zXZ
G D-FK61 tm(v~L%$>]
G H-ZF88 ?gLR<d_
G H-F51 }@Xh xZu
END ！以END结束 S Q}S4r
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 oW0gU?Rr)u
GO ！启动程序
Q_ctX|. 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
P}HC (S1 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
r5o@+"! 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
bb|}' 
w{PUj
