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
F$sDmk# 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：
Te6cw+6
图1 近红外镜头初始设计
`VrQ? s %O|+` " 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：
i7XM7 +} RLE ！读取镜头
fsjCu! 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)
5i@WBa FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
%y{'p: LOG 3119 ！日志编码
b!<\#[
A4 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 Z35(f0b APS 4 ！定义光阑面为表面4
\1He 9~6 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
nYnB WDnV UNITS MM ！
透镜单位为毫米
oh0*b h 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
( 5 BZZ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
$L4h'(s 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
ge4Qa 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
cx ~XG 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
cC*H.N 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
7>V*gV?v 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
. 3'U(U 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
i+Lqj 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
Xqy9D ZIn 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
gX|We} H 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
vlq L 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
l3xI\{jn 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
N(l 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
/:d6I]. 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
/,,IM/(6^ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
D0}r4eA 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
R $@$ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
6)veuA3] 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
FL {$9o\@ 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
@R_ON"h 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
g/ 4ipcG;N 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
+O)Y7k{?C5 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
3wMnTT"At 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
c2u*<x 8 TH 16.29978150
Bm5\*Xd1( 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
^GS\(eg t 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
u]OYu END ！以END结束
||))gI`3a v,kvLjqt 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：
f28bBuv1? (]` rri*^
C~IE_E&Q` !;U oZ~ 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。
t,u ;"%go 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。
UyAy?i8K "vX\Q rL 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
^fQa whub 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：
iS< ^MD eQwvp`@"
/ E!N:g< 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。
&x\cEI)! \YSprXe
v_Hy:O}R 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。
i<(~J4} b 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。
[tR b{JsUd DSEARCH输入如下： Q
ZC\%X8j CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
I+,C iJ|4 TIME ！计算程序运行时间
WXY-]ir. DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
L&d.&,CNs' SYSTEM ！透镜系统输入
!4T!@"# ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
?./%7v 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
fB 0X9iV6j WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
yJ="dEn>i" UNITS MM ！透镜单位为毫米
xf{ZwS%X END ！以END结束，与SYSTEM呼应
+sV~#%% "|Kag|(qB GOALS ！目标设置
D"2bgw ELEMENTS 5 ！元件数为5
"}Ikx tee FNUM 1.428 ！F数为1.428
]:; dJc' BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
+i#s |kKs\ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
cT q;<9Iew STOP FIRST ！光阑面为表面1
R 9(Yi<CC STOP FIX ！光阑面固定
!L@<?0x LW NPASS 100 ！程序
优化次数为100
W 4bN']? ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
!b=W> 5h RSTART 300 ！起始半径为300mm
X:lStO#5 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
w:/3% - 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)；
F B:nkUR` FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
U^eos;:s8 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
|+K wyHE`9 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
s7 sTY G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
@t;726 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
~ToU._ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
^^lx Ot END ！以END结束，与GOALS呼应
-$X4RS G8 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)
, 6Jw ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
K9 ]zUe&#w ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
jSSEfy>^ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
MMUlA $*t ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
=ZO lE|4 END ！以END结束，与AANT呼应
];jp)P2o GO ！启动程序
CB
X}_]9X TIME ！计算时间
vt n T >q0%yh - 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
Bnk ' 0qIg:+l+
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
f$ tm<:)Y
RehraY3q
##} 7cFX
ksCF"o /@V
HOF=qE*p
相应的局部放大镜头结构
jE wt1S V DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
(,tu7u{ PANT
#@xB ?u-0q VLIST RD ALL
ky-nP8 L} VLIST TH ALL
+j K- k_ END
2wDDVUwy B AANT P
H Tv#2WX AEC
<5,|h3]-# ACC
s2GF*{ GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
hSR+7qN<e GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
=*I|z+ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
@g4o8nH} M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
hF$qH^-c*A M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
R&BWCC{ ACC 10 .1 1
Wy*+8~@A ACM 3 .1 1
01n132k ACA
F >3 o0ke} ASC
Go c?HR END
?Pp*BB,*y SNAP 0/DAMP 1.00000
8e3eQ SYNOPSYS 100
xb<|m2<)H
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 -B9e&J
{K
GSEARCH输入如下： Kv o&_:
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 f U?#^Lg
GSEARCH 3 QUIET LOG Je6wio- 4
L<0_e^8
SURF |Tc4a4 jS
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 Q$:Q6 /5.
END aK95&Jyw&
w$AR
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； xVbRC u#Z
NAMES ！玻璃名称 'vZIAnB8
G G-ZF52 _^NaP
G D-FK61 5lJL[{
G H-ZF88 Kx&" 9g$
G H-F51 |bnYHP$!
END ！以END结束 IQ~qiFCf
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 Ul9^"o
GO ！启动程序
VOZxLyj^9 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
-l57!s~V 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
R-9o 3TPa 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
5cinI^x)f A8{ xZsH
