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
> '. : Acn 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：
;/JXn 图1 近红外镜头初始设计
f:J-X~T_f W}MN-0 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：
O7uCTB+ RLE ！读取镜头
?#z<<FR 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)
A=p'`]Yld FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
W-/V5 =?
LOG 3119 ！日志编码
Qf}. = ( WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 o;
U!{G(X APS 4 ！定义光阑面为表面4
;^E_BJm 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
& 0WQF UNITS MM ！
透镜单位为毫米
$60`Hh 4/ OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
_nxH;Za 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
DX+zK'34 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
[ ;sTl~gC 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
b(Tvc 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
a
}*i [ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
a'dlA da 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
#Nc o|v 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
gTU5r4xm~ 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
z0SF2L H 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
uZ\+{j= 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
dt+r P% 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
nb< o o:^ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
;+6>< O!G 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Z[ (d7 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
eNVuw: Q+ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
!U 1
vW}H 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
pi/0~ke4" 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
G
:k' m^k 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
1;V_E2?V 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
" r o'? 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
QHf&Z* Xtl 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
>][D" 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
v:yU+s|kN 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
0`-b57lF& 8 TH 16.29978150
9!W$S[ABRB 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
,$> l[G;Bm 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
Vd d END ！以END结束
W ulyM cJ 3,6f}:CG 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：
=|ODa/2 p 
^7YNM<_%@ 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。
gBcs 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。
#5z0~M g-X L~Peerby 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
Bdb}4X rL 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：
Dm5 Uy^F} 
bp= r ]nO 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。
s hH2/.> 
yV\%K6d|3& tO:JB&vO2 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。
:W1?t*z:[ 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。
NLG\*mQ DSEARCH输入如下： }YFM4 0H CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
*K;) ~@n
TIME ！计算程序运行时间
=f{v:n6 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
L6 {gwoZf3 SYSTEM ！透镜系统输入
XC^*z[#4{ ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
TEd 5&Z 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
M>p<1`t-& WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
ob;|%_ UNITS MM ！透镜单位为毫米
|. 0~' END ！以END结束，与SYSTEM呼应
SM4`Hys;p w3);ZQ| GOALS ！目标设置
4d PTrBQ? ELEMENTS 5 ！元件数为5
"YgpgW FNUM 1.428 ！F数为1.428
uMZ~[S z BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
$KGMAg/H TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
j _N<aX STOP FIRST ！光阑面为表面1
&TQ~!ZMOR" STOP FIX ！光阑面固定
0 h*Le NPASS 100 ！程序
优化次数为100
.G!xc Q`? ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
S, AxrQc RSTART 300 ！起始半径为300mm
"}*D,[C5e TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
b2UDP W 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)；
'A7!@hVy FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
NF6xKwRU]_ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
` HXv_9 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
/ta}12Z G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
'%[ Y GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
jo<x rn\ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
bAZoi0LR
END ！以END结束，与GOALS呼应
;98b SR/ EpMxq7* 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)
9Sxr9FLW~ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
:) lG}c
ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
xBTx`+%WS ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
nJN -U+)u ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
W{"s B:E END ！以END结束，与AANT呼应
\~E?;q! GO ！启动程序
$e7%>*?m TIME ！计算时间
_)
x{TnK P|$n 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：
U`qC.s(L 
#:gl+ 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：
& mO n] 
JVX)>2 &$ Ol RXgJ
D :U6r^c E .Xp\Dm71
相应的局部放大镜头结构
3LLG#l )8 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
2lpPN[~d PANT
V &nB*U&s" VLIST RD ALL
I 0 ~'z f VLIST TH ALL
|gO7`F2 END
N<: c*X AANT P
.T9$O]:o AEC
l&+O*=#Hh ACC
z!3=.D GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
0>BxS 9?w GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
.t1:;H b GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
`C S\"|z M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
9AVj/?kmU M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
wkx9@?2* ACC 10 .1 1
&Uam4'B6- ACM 3 .1 1
):G%o ACA
Hh^ "c} ASC
1,+<|c)T? END
mxgT}L0i SNAP 0/DAMP 1.00000
2~$S @c SYNOPSYS 100
Ux=~-}<-w
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。 `&D#P%
GSEARCH输入如下： r89A X{:
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 @\ y{q;
GSEARCH 3 QUIET LOG Z8$BgP
_gqqPny4$
SURF 47Z3 nl?
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 ]!{S2x&"
END -4Hb]#*2
:1*E5pX0n
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； ^\ x'4!W
NAMES ！玻璃名称 `#ruZM066
G G-ZF52 e
n~m)r3&
G D-FK61 m~
ah!QM
G H-ZF88 n/5T{ NfG
G H-F51 jlj ge=#c2
END ！以END结束 xkDK5&V
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 1;( h0j
GO ！启动程序
>; MJm 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Nf )Y G! 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
i4|R0>b 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
v Woppt 
d78 [(;
