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
W&[-QM8 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：
b`J su! ?{ 图1 近红外镜头初始设计
aWP9i & 7{k?" NF 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：
" u b0}p4V RLE ！读取镜头
gNkBHwv 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)
'$ z@40u FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
ytV[x LOG 3119 ！日志编码
x2/ciC
WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 8o).q}>& APS 4 ！定义光阑面为表面4
6\VZ 6oS 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
e5"5 U7 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
T{N8 K K 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
F7]8*[u 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
jR+k x :+ 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
EY
c)v6[ 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
>7 cDfv" 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
3{Zd<JYg4- 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
\ NKw,`/ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
YM. 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
~E vGNnTL 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
Zw<<p|{)< 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
>66
`hZ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
7& w[h4Lw 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
[o7Qr?RN 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
~LP5hL 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
ta'wX 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
ivt ~ S 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
VCIV*5
P 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
t8. 3 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
Im]6-#(9\| 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
*/|<5X;xIA 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
$U)nrn i 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
g; 7u-nP 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
kjOkPp 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
?N@[R]; 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
K(P.i^k 8 TH 16.29978150
am7~ 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
m9-=Y{&/ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
g+(Y)9h& END ！以END结束
U8,pe;/ln` &;<'AF 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：
FMWM : 
@%fL*^yr;C 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。
[| N73m,& 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。
CT'#~~QB s k3 AwG;A 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
$s 'n]]Wq 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
eax"AmO 
6fC Hd10! 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
+jKu^f 6 
WSGho(\ vkeZ!klYB 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
k]2_vk^ 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
Dz8aJ6g DSEARCH输入如下： _c}# f\ +_ CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
Q-1 Xgw! TIME ！计算程序运行时间
%7?Z|'\ DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
I<+:Ho=6 SYSTEM ！透镜系统输入
N:Ir63X*# ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
*>xCX OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
.nEiYS|T WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
O]Y z7 UNITS MM ！透镜单位为毫米
Yn p#3 r END ！以END结束，与SYSTEM呼应
xLgZtLt9 U\-R'Z>M GOALS ！目标设置
~@T`0W-Py ELEMENTS 5 ！元件数为5
Hxleh><c- FNUM 1.428 ！F数为1.428
#wZH.i # BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Lg|d[*;'7 TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
z*9 ke STOP FIRST ！光阑面为表面1
Zq5~M bldh STOP FIX ！光阑面固定
)CgH|z:=b NPASS 100 ！程序
优化次数为100
wxT( ktE ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
fVdu9 l RSTART 300 ！起始半径为300mm
\^jRMIM== TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
QGE0pWL-a QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
g${k8.T V FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
b/
h#{' FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
z<.?8bd GLASS POS ！正透镜玻璃类型
zJ@^Bw;A^@ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
w"? Rb A GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
<;Tr
G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Eh$1p iJG END ！以END结束，与GOALS呼应
tg\o"QKW9 i4XiwjC HN SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
cS
Qb3}a\ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
&:1q3 gDm ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
{-%8RSK=< ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
iq, rS" ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
!(Y,2{ END ！以END结束，与AANT呼应
9Hd_sNUu\ GO ！启动程序
<Y$(
l szT TIME ！计算时间
DgY
!)cS +(^H L3 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：
?0?3yD-!9 
h[U o6` 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：
y0~ttfv 
B&6 lG!K'? C7DwA/$D
@PctBS<s /'b7 q y
相应的局部放大镜头结构
FZLx.3k4 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
UM<s#t`\ 3 PANT
T Q5kM VLIST RD ALL
Qkhor-f0 VLIST TH ALL
K 9y~
e END
bZ``*{I/ AANT P
kg\8 (@h] AEC
1 vtC4` ACC
%%zlqd"0 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
beSU[ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Rd|8=`) GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
ZY @ntV? M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
K<kl2 # M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
ou- uZ"$,c ACC 10 .1 1
a6 1!j>Kx ACM 3 .1 1
o{^` Y ACA
{ 8oGWQgrj ASC
HrfS^B END
d325C w? SNAP 0/DAMP 1.00000
<HzL%DX SYNOPSYS 100
Z!7xRy
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。 ~"NuYM#@
GSEARCH输入如下： K[LuvS
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 h9#)Eo
GSEARCH 3 QUIET LOG x0: BxRx*
8ZLHN',
SURF ${e V3LSC
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 !a-B=pn!]
END @BF1X.4-+
ODhq
`? (N
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； #V%98| "
NAMES ！玻璃名称 y@I t#!u0
G G-ZF52
>]~|Nf/i
G D-FK61 ^$sq U
G H-ZF88 'tvuw\hhL
G H-F51 %OHZOs
END ！以END结束 C4P<GtR9
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ??U/Qi180
GO ！启动程序
ai-rF^ehC 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
p:z~>ca 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
q=V'pML 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
[.1ME lM 
<aDZ{T%
