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
d<=!*#q;o 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：
.sj/Lw} 图1 近红外镜头初始设计
Rl vvO @m`H~]AU 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：
qycf;Kl:6 RLE ！读取镜头
w-km
qh 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)
FR' Nzi $ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
UHfE.mTjM LOG 3119 ！日志编码
& l-d_dh WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 "#8^":,4 APS 4 ！定义光阑面为表面4
8?<J,zu@AV 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
jc>B^mq x UNITS MM ！
透镜单位为毫米
l&W :t9o 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
8>vNa 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
:D 2GLq *\ 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
J z&dC 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
"k"+qR`fH 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
4V] xVma 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
cyjgi /Z 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
v=dN$B5y3 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
*j1Skd.#At 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
6y`FW[ 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
=7: }/& 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
X9" T(` 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
NX;{L#lQ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
i6;rh -M?. 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
v {1g`E 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
MD4 m h2 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
e+2lus,u6t 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
:=q9ay 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
hOIg 7=v 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
l.}gWN9- 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
Fo
,8"m 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
<0l:B ;3 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
wt_ae|hv 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
\0qFOjVj 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
vj#m#1\ f 8 TH 16.29978150
= K`]cEL 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
#=m:>Q?%z 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
n|QA\,= END ！以END结束
%md9ou` _\,4h2( 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：
kAx J#RG 
F?y
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。
|NjyO>@Pa 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。
$ 'a]lR `"iPJw14 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
dftX$TS 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：
]@}@G[e#[ 
sJg3 WN 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。
R3BK\kf& 
G%%F6)W oJ=u
pnBn- 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。
^M1O ) 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。
UyNP:q: DSEARCH输入如下： % <%r CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
<%`z:G3 TIME ！计算程序运行时间
K<u~[^R DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
>4T7D My SYSTEM ！透镜系统输入
:{xu_"nYr ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
g-+/zEOUS 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
U4e9[=q`' WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
P\
2Bx *e UNITS MM ！透镜单位为毫米
!<>`G0 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
?Y$3R"p@3` I]d?F:cdX GOALS ！目标设置
5pE@ Ww ELEMENTS 5 ！元件数为5
mx^rw*'JGC FNUM 1.428 ！F数为1.428
QVN @B[9 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
w mX * n'l TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
JCITIjD7= STOP FIRST ！光阑面为表面1
k0DX|O8mXV STOP FIX ！光阑面固定
".fnx 8v, NPASS 100 ！程序
优化次数为100
&gvX<X4e ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
UWBR5 RSTART 300 ！起始半径为300mm
|Gb~[6u TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
M""X_~&I" QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
072`i 46 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
mw=keY9] FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
7I6& *I GLASS POS ！正透镜玻璃类型
!z?:Y#P3 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
\ 88 IFE GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
{E>(%vD G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
ns8I_H END ！以END结束，与GOALS呼应
F BI^}^#_ ^eqq|(<K SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
7(5 wP( ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
[i N}W5
m ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Cx`?}A\% ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
I [v~nY~l` ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
cU=EXyP% END ！以END结束，与AANT呼应
,tOc+3Qz$ GO ！启动程序
6q^.Pg-Y TIME ！计算时间
.n|
M5X ,W;2A0A?X 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：
*s"{JrG`O 
32):&X"AIh 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：
N6S}u@{J~N 
0GiL(e| U _Va'7
;jpsH?3g &1Idv}@!
相应的局部放大镜头结构
r;&rc:?A DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Y-:{a1/RKo PANT
X9n},} bJ" VLIST RD ALL
^<'=]?xr VLIST TH ALL
h{M.+I$}C END
D& #ph%U,P AANT P
w#`E;fN' AEC
3 +$~l5LY ACC
:+\B|*T2.L GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
b\9}zmG[u GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
$ [8 GFv GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
go$zi5{h# M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
keWqL] M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
a-7T ACC 10 .1 1
'}NQ`\k ACM 3 .1 1
-XtDGNH F ACA
72 >/@ ASC
'uw=)8t7 END
Aaq!i*y SNAP 0/DAMP 1.00000
Zb=H \#T SYNOPSYS 100
elf2!
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 rXlJW]i
GSEARCH输入如下： jO#5ZhG
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 Z-,' M tD
GSEARCH 3 QUIET LOG &]Q\@;]Aq
@'{m-?*
SURF c:MP^PWc
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 h*9s^`9)
END fPW(hb;
4r'f/s8"#
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； ` -L{J0xq
NAMES ！玻璃名称 eE/E#W8
G G-ZF52 7Z+4F=2ff
G D-FK61 ? oX.$E?(
G H-ZF88 R3SAt-IE
G H-F51 |+Fko8-
END ！以END结束 3jB5F0^r1
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 "eiZZSz
GO ！启动程序
BHh%3 Q 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
IirXF?&t 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
%4~2 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
ErNL^Se1 
W7QcDR y6
