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
4 .Z(:g 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：
K2HvI7$- 图1 近红外镜头初始设计
>A($8=+#x E eB3 } 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
A$@o'Q;he RLE ！读取镜头
iNJAZ6 @+ 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)
<tuS,. FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
_CE9B e\ LOG 3119 ！日志编码
lR@& Z6lw WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 h$Tr s O APS 4 ！定义光阑面为表面4
Pq?*C;D NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
A"4@L*QV UNITS MM ！
透镜单位为毫米
S?4KC^Y5 OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
~<,Sh~Ana. 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
U5<@<j(@ 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
W-XpJ\_ 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
oLS7`+b$ 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
!M (:U,?B 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
r6t&E %b 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
~z iexZ=N 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
SF< [FM%1 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
\Y e%o}.{ 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
4SR(->@ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
jdM=SBy7q 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
Dm%%e o 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
o&$hYy"<.L 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
e$w t&^ W 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
X Lb0
9; 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
e4[) WNR 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
4RQ5(YTTuR 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
o56kp3b)b 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
d>!p=O`>{q 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
!ZrB^?s O 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
1[DS'S 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
zfjw;sUX 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
*j F# ^= 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
\r;F2C0*i 8 TH 16.29978150
?9e] 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
T//S, 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
LgHJ o-+> END ！以END结束
V@Wcb$mgk 2Va4i7"X\ 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
g.a| c\WH 
*]x_,:R6Ow 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
2-v \3voN 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
?/d!R]3 ]k*1KP 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
^,V[nfQR 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
o .^y1mH' 
,%hj cGX11 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
p4wr`" Zz 
!kXeO6X@m |4Ha?W 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
M<[ ?g5=# 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
U)[ty@zyF DSEARCH输入如下： )( bxpW CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
~>%DKJe TIME ！计算程序运行时间
<v$QM;Ff DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
sKfXg`0 SYSTEM ！透镜系统输入
5f{|"LG& ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
U CY2 ]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
3ATjsOL WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
- _~)f{KN@ UNITS MM ！透镜单位为毫米
SI*^f\lu END ！以END结束，与SYSTEM呼应
jvs[ / f0o ek{ GOALS ！目标设置
V8"Wpl9Cz ELEMENTS 5 ！元件数为5
g-@h>$<
1 FNUM 1.428 ！F数为1.428
SxMj,u%X/ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
k/lFRi-i TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
cwynd =^nC STOP FIRST ！光阑面为表面1
Q2 \ STOP FIX ！光阑面固定
sR*Nq5F#9 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Z nXejpj)D ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
)|]Z>>%t RSTART 300 ！起始半径为300mm
@ E_zR TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
d^84jf.U 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)；
o4)hxs FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
gb 4pN FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
>o[|"o LO GLASS POS ！正透镜玻璃类型
e|'N(D}h* G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
("Dv >&w9 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
_V@P-Ye G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
wUp)JI END ！以END结束，与GOALS呼应
_;e\:7<m }<[Db}?9 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)
(@&I_>2Q ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
xl]
;*& ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
<NB41/ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
'b[0ci: ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
fp&Got!pB END ！以END结束，与AANT呼应
`ROEV~ GO ！启动程序
N z~" vi(t TIME ！计算时间
&" h]y?Q U9ZbVjqv@ 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：
kx{!b3 " 
S,vu]?-8 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：
T1N H eH> 
nl@E[yA9[ kuS/S\Z5K
P s#>y& FH\CK
相应的局部放大镜头结构
BGqa- d DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
y\[r(4h PANT
b5 Q NEi VLIST RD ALL
nj2gs,k VLIST TH ALL
K $-;;pUl END
KQ)T(mIqp AANT P
;<-7*}Dj AEC
5(J^ N ACC
yQ[u3tI GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
0HbJKix! GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
!N~*EI$ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
E`xU m9F M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Y' ;>O ` M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
zj20;5o>U& ACC 10 .1 1
< t}? $1 ACM 3 .1 1
kwar}:` ACA
h4 vm{ho ASC
3{3/: 7 END
fIyPFqf7w) SNAP 0/DAMP 1.00000
#x~_`>mDN SYNOPSYS 100
A&N *F "q
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 % h+uD^^$
GSEARCH输入如下： ")M;+<c"l
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 aZgNPw
GSEARCH 3 QUIET LOG WK; (P4Z
j>!sN`dBj
SURF wj%wp[KA$
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 kxo.v |)8
END K^H>~`C=
!Z s,-= ^D
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； afm_ Rrg[
NAMES ！玻璃名称 4VFc|g
G G-ZF52 [hU=m S8=^
G D-FK61 O 5-;I,)H
G H-ZF88 9^zx8MRXd
G H-F51 *Nlu5(z
END ！以END结束 Jsn <,4DO8
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 Uu5C%9^s
GO ！启动程序
k/#>S*Ne 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
.B$h2#i1 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
a8JN19}D 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
N!m%~kS9k< 
fn1 pa@P
