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&4+-w.:V| 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：
' X wv, 图1 近红外镜头初始设计
-LRx}Mb9 X}(X\rp 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：
hGY-d}npAJ RLE ！读取镜头
xaVX@ 3r.3 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)
g $Y]{VM.J FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
]NTQF/ LOG 3119 ！日志编码
"zJ xWXI WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 8%m\J:e R APS 4 ！定义光阑面为表面4
aUZ?Ue9l>2 NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
,+`r2}N
\/ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
wi7Br&bG i OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
T90O.] S 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
eUQmW^
1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
8A&N +sT 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
X5/j8=G H` 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
V[kJ;YLPN 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
- @>]iBl 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
;%2+ Tc-7I 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
6
:3Id 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
\- ]Jm[]^ 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
Al *=%nY 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
J' P:SC1 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
eR5q3E/;G 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
wsB-(
0- 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
\A \ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
m}? jU 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
ty['yV-;a 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
/c=8$y\%@ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
/]z #V' 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
.jqil0#)Y" 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
Q"
h]p 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
A,EG 0yb 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
}w35fG^ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
-{OJ M|W+ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
i=n;rT 8 TH 16.29978150
PU.j (0 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
R P~67L 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
3lWGa7<4Z END ！以END结束
h/\ Zq <Nrtkf 4-O 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：
VO:
<`SA >P 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。
kK}?NKqT 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。
;U?=YSHk 7 I_8 n>\u 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
RjUrpS[I 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：
-V2`[k 
-:_3N2U=+ 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。
ckFPx l. 
C3=0 st$ r\fkx> 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。
6W YVHG 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。
Da[#X`Kp$ DSEARCH输入如下： w8q
2f-K- CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
)g8Kicox5 TIME ！计算程序运行时间
A?n5;mvq# DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
e@O]c " SYSTEM ！透镜系统输入
#G (ivRo ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
R>O x(MG 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
VPO~veQ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
L"1AC&~ u UNITS MM ！透镜单位为毫米
UnVa`@P^:G END ！以END结束，与SYSTEM呼应
dlZ2iDQ% 8.wtv5eZ GOALS ！目标设置
>@G"*le*) ELEMENTS 5 ！元件数为5
t}}Ti$$> FNUM 1.428 ！F数为1.428
#d<"Ub BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
|DsT $ ~D TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
Uv <nJM STOP FIRST ！光阑面为表面1
A[fTpS ~~% STOP FIX ！光阑面固定
7zN7PHT=$t NPASS 100 ！程序
优化次数为100
o+k*ia~Fa ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
T_wh)B4xW RSTART 300 ！起始半径为300mm
k=p[Mlic/ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
rR{KnM QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
/={N^8^=x FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
H;AMRL o4z FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
=?]S 8cth GLASS POS ！正透镜玻璃类型
|eye) E: G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
dqgr98 GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
L|b[6[XTHL G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
LV$Ko_9eA END ！以END结束，与GOALS呼应
rkdA4'66w g& . OJ 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)
IY!8j$'| ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
fX\y/C ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
m9 c`"! ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
I^n,v )
8 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
V4 n;N END ！以END结束，与AANT呼应
"8a ?K Q GO ！启动程序
qrZ3`@C4k TIME ！计算时间
,E% O_:}R #l9sQ-1Q 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
Azr|cKu] 
MlS5/9m@^ 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
L0{ [L 
0#m=76[b S
{+Z.P
a>d`g w7q6v>
相应的局部放大镜头结构
Z@*!0~NH=4 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
f|/ ,eP$ PANT
;v.J
D7 VLIST RD ALL
LZ&I<ID`- VLIST TH ALL
) 7#3n(_np END
5'`Dr TOA AANT P
}!|$;3t+c AEC
,iZKw8]f ACC
4L97UhLL GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
F,K))325 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
<y7Hy&&y- GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
376z~ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
@LS%uqs M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
xbHI 4A"Z ACC 10 .1 1
E7w^A ACM 3 .1 1
ip*^eS^ ACA
O9ro{ k ASC
#~qza ETv, END
g]BA/Dw SNAP 0/DAMP 1.00000
1L?W+zMO SYNOPSYS 100
_t4(H))]vG
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 R'atg
9
GSEARCH输入如下： CU*;>h1~u
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 j|p=JrCJ
GSEARCH 3 QUIET LOG x[+bLlb
zh(=kS `
SURF 2jk ma :$'
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 l>(*bb1}b
END #~w~k+E4
k!6m'} v
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； mGF)Ot R
NAMES ！玻璃名称 W58%Zz4a
G G-ZF52 I58$N+ #
G D-FK61 /pLf?m9
G H-ZF88 6 lEv<)cC
G H-F51 6J$I8b#/
END ！以END结束 tk:G6Bkid
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 &W `7 b<
GO ！启动程序
Y\4B2:Qd9 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
2)QZYgfh 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
L EFL KC 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
pXA |'U5] 
<HpUP!q8v
