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
K \.tR 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：
~Bi%8 G 图1 近红外镜头初始设计
g2A#BMe'.$ Rgl c d 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：
F 6C7k9 RLE ！读取镜头
zU_ dk'&, 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)
Hlpt zez FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
c6SX z%'k LOG 3119 ！日志编码
p 8Z;QH* WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ]ZNFrpq APS 4 ！定义光阑面为表面4
;WhRDmT 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
Oz)/KZ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
_/Ay$l;F OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
;^|):x+O 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
9mjJC 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
<5}j(jxz} 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
8q;
aCtei 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
kO$n0y5e 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
@#;*e] 1a 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
@jrxbo;5 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
*vq75k$7 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
m!=5Q S3Z 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
"<^n@=g'q 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
W>: MK-_ J 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
(!YJ:,!so 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
t D4-Llj6 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
>Psq" Xj 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
GK[9I F#_> 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
m_,Jbf 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
O,S>6o)? 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
6\`8b&'n 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
+wQ}ZP& 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
{JF"PAS7 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
9v SKIq 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
,s2C)bb- 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
r 3KNRr@ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
LXPO@2QF 8 TH 16.29978150
.?L Rt 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{an[9To~P 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
GSd:Plc% END ！以END结束
1b 2 };<?W){!H 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：
uh \Tf5 
5)5yH bS 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。
0W Yu5| 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。
5% }!z~8Y4 {F S)f 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
VJ_fA}U 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：
4=; j.=>0X 
62y:i 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。
6NHP/bj<1V 
0Ub'=`]5a oe0YxSauL 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。
l-S0Gn/'X 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。
[-\U)>MY(p DSEARCH输入如下： ,np|KoG|M CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
yPs6_Qo!p TIME ！计算程序运行时间
y`
'#gH DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Q1rEUbvCE SYSTEM ！透镜系统输入
J9DI( ` ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
-Dy <B 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
_`p ^B%[ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
p
. P#S UNITS MM ！透镜单位为毫米
} # L_R END ！以END结束，与SYSTEM呼应
}xi? vAaTl d|9]E&;, GOALS ！目标设置
'J5F+, \Ka ELEMENTS 5 ！元件数为5
j+{cc: h"X FNUM 1.428 ！F数为1.428
-Fu,oEj{* BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
x$D^Bh, TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
noEl+5uY STOP FIRST ！光阑面为表面1
$ #2<f 6 STOP FIX ！光阑面固定
.kMnq8u NPASS 100 ！程序
优化次数为100
vq O#Z ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
HavlN}h RSTART 300 ！起始半径为300mm
z!18Jh TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
r;*
|^> 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)；
:@ VC Kq! FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
+"bi]^\z FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
udIm}jRA" GLASS POS ！正透镜玻璃类型
ysl#Rwt/2 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
z@pa;_ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
=5V7212 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
kWy@wPqms END ！以END结束，与GOALS呼应
R[S1<m; (2M00J-o 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)
x?0K' ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
.XiO92d9 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
z,7;+6*= L ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
@TX@78fWz= ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
3dLqlJ^7B END ！以END结束，与AANT呼应
Il(o[Q>jJ3 GO ！启动程序
p@uHzu7 TIME ！计算时间
n:) [ %on N:k>V4oE 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：
e84%Y8,0 
O! XSU, 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：
N5ZO pRH{ 
Y~A I2H S ^bl w\;LB
!>80p~L OdY9g2y#m
相应的局部放大镜头结构
!G0Mg; , DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
zwJ&K;"y( PANT
&FT` z"^ VLIST RD ALL
cfa1"u""e VLIST TH ALL
vM5/Kr W END
S.1>bs2 AANT P
9+s&|XS* AEC
&z:bZH]DH ACC
x9a\~XL>a GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
X;GU#8W GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
|UMm>.\' GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
JJSE@$",\ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
q/ 54=8*h0 M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
-WF((s;<# ACC 10 .1 1
]4 c+{ ACM 3 .1 1
-.8K"j{N ACA
*?HoN;^ ASC
Fb8d= Zc END
{z0iWY2Xw SNAP 0/DAMP 1.00000
1E&S{. SYNOPSYS 100
PuGs%{$(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。 ?Z?(ky!
GSEARCH输入如下： Og1vD5a
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 5V =mj+X?
GSEARCH 3 QUIET LOG =#y;J(>~|
z
|~+ 0
SURF >c<xy>N
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 OW\vbWX
END M|%bxG^l
0 D
'^:
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 7 Vh
NAMES ！玻璃名称 5 m-/N ?c
G G-ZF52 0+@:f^3]!
G D-FK61 Z@&%"nO
G H-ZF88 Pvi2j&W84
G H-F51 .IdbaH
_a
END ！以END结束 !3k-' ),z&
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 w(S~}'Sg*P
GO ！启动程序
/NCN wAj7 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
"B
(?|r% 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
8zj&e8&v 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
K RT&]2 
`pZX!6Wn
