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
FR6 W-L 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：
=c \(]xX 图1 近红外镜头初始设计
ym5@SBqIx ;76+J) 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：
9b >+ehj B RLE ！读取镜头
w t GS"L 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)
KW DH
35 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
P !f{U;B LOG 3119 ！日志编码
rD21:1s WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 S -mpob) APS 4 ！定义光阑面为表面4
oU,8?( }'~ 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
hN K wQ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
NV?x<LNWd 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
cvy
5|;- u 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Y [)mHs2 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
PeIi@0vA 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
;bG?R0a 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
XK\nOHLS 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
} Ifa5Lq) 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
h1 (i/{}: 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
l?"^2in . 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
T^] ]z}k 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
[Y!HQ9^LEp 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
*=B <S/0 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
h/A\QW8Sd 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Tv'1IE 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
} l+_KA 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
@TW:6v` 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
zQ:nL*X'Z" 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
H (K!{k 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
*YH!L{y 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
HOu$14g 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
g&$5!ifgi 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
q&[G^9 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
d , g~.iS~ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
1H.;r(c 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
[ <d ~b*/ 8 TH 16.29978150
O[$X36z 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
{q$U\y%Rq 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
Q)4[zSt R# END ！以END结束
N Ub$PT :RIqA/ 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：
" LDNkw' 
.<%q9Jy# 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。
FZU1WBNL%t 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。
:(OV{ u GGwwdB\x' 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
6(?@B^S>2 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：
0Y* "RbG 
dHOH] x 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。
c ]VK%zl 
ubZuvWZ =>>Dnp 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。
`0W"[BY 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。
xS/=9l/G DSEARCH输入如下： 2=fLb7 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
ZTqt 4 H TIME ！计算程序运行时间
_"D J|j DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
O Ao03KW SYSTEM ！透镜系统输入
kz1 Z K ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
wp8-( E^ 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
X`v6gv5qj WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
:-+][ [ UNITS MM ！透镜单位为毫米
gjK: a@{ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
t3}_mJ l0yflFGr GOALS ！目标设置
yTbtS- ELEMENTS 5 ！元件数为5
[Z'4YX S FNUM 1.428 ！F数为1.428
aB G* BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
4E!Pxjl 3a TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
>d
.|I& STOP FIRST ！光阑面为表面1
S=<
]u STOP FIX ！光阑面固定
nWYfe-zQxg NPASS 100 ！程序
优化次数为100
>>R)?24,< ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
V# 1v5mWVx RSTART 300 ！起始半径为300mm
?JRf hJ:j TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
WH $*\IGJL QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
KVoi>?a FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
FDFVhcr FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
u0+<[Ia'q GLASS POS ！正透镜玻璃类型
R M2feWm G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
Z^A( Q>{e GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
ou|3%&*" G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
3\<(!yY8 END ！以END结束，与GOALS呼应
3e;K5qSeo/ 8B S$ 6Pa 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)
r 3T #Nv ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
MS|1Q@S9 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
E9 #o0Di ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
_c fAJ)8= ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
kmf z.:j{ END ！以END结束，与AANT呼应
xr)m8H GO ！启动程序
eBECY(QMQ TIME ！计算时间
K}S=f\Q] TSL/zTLDJ 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：
M@.?l=1X 
<C*%N;F5R 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：
H:1F=$0I9 
N~yG tnW -cXVk H{
rPW 9lG P/9|mYmsq
相应的局部放大镜头结构
79lG~BGE DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
t&bE/i _T PANT
'(($dT VLIST RD ALL
9J C8OSjJ VLIST TH ALL
Q},uM_" + END
4~:D7",Jn AANT P
zpxy X| AEC
H&Z sMML/% ACC
/z,+W9` GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
a<D ]Gz^h GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
n-lDE}K9%B GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
o648
xUP M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
;{>-K8=>$ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
lFM'F [-?- ACC 10 .1 1
vi.q]$ohbV ACM 3 .1 1
F>3fP ACA
dG]s_lb9H ASC
j~9,Ct END
;V~~lcD&Y` SNAP 0/DAMP 1.00000
iuq%Q\0@w SYNOPSYS 100
&_c 5C
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 h|=&a0
GSEARCH输入如下： {5:V
hW }
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 T/l2B1
GSEARCH 3 QUIET LOG le`_
</d&bS
SURF x~O_v
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 &5wM`
END ) /<\|mR
* (@[E
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； s%qK<U4@;Q
NAMES ！玻璃名称 qg@Wzs7c~
G G-ZF52 al\ R(\p|
G D-FK61 QI2T G,
G H-ZF88 IC7S
+v
G H-F51 YVLaO*( f
END ！以END结束 .!J,9PE
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 |2~fO yA+
GO ！启动程序
KEj- y+ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
u
k Kp,1xz 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
gobqS+c 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
M%2 F7 FY 
pn~$u
