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
E @7);i5K 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：
_!E)a
图1 近红外镜头初始设计
um*!+Q ' ;3#t(J; 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：
D \k'Eez RLE ！读取镜头
pN#RTb8o 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)
><H*T{
Pg FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
agj_l}=gO LOG 3119 ！日志编码
#T$yQ;eQ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 v&Oc,W APS 4 ！定义光阑面为表面4
$n* wS, 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
y-lBaTE9 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
F-PQ`@ZNW 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
>wf.C% 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
BTDUT%Yfg 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
H,0Io 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
GDY =^r 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
/<Yz ;\:Jy 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
=_Ip0FfK! 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
CZw]@2/JuQ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
aM|;3j1p 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
2JL\1=k; 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>W*y|UJ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
0{qe1pb w 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
4^_'LiX3[ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
f]48>LRE8 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
^]X\boWlI 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
$u%7]]Y^\ 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
# TPS? +( 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
,_z"3B)] 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
>*Ctp +X@ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
~ TYpq;rq 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
xP-\)d-.aN 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
Mq 52B_ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
1Uk Gjw1J 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
T7?cnK" 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
RiiwsnjC 8 TH 16.29978150
7 ~!F3W T{ 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
2 `U+
! 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
pB'{_{8aA END ！以END结束
|OBh :d_B] D.*o^{w| 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}g=zy@ 85qD~o?O
C9^C4
i)=
\-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。
Q/`W[Et 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。
`Jn2(+ Dbw{E:pq 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
mOfTq]
@B 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：
PnZY%+[I jJyS^*.X
d8.A8<wUr 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。
0+Z?9$a1 M`p[ Zq
_B7+n"t\r 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
2:G/Oj h&] 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
q aG8: DSEARCH输入如下： p(. z#o# CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
97vQM TIME ！计算程序运行时间
om2)Cd9~7 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
<+_WMSf;4 SYSTEM ！透镜系统输入
Yht |^ =a ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
A, 4Z{f83 OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
@1s
2# )l( WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
S |r,RBeZ
UNITS MM ！透镜单位为毫米
WSbD."p< END ！以END结束，与SYSTEM呼应
cs?IzIQ (? 1 /\r GOALS ！目标设置
5#~E[dr ELEMENTS 5 ！元件数为5
p4vX3?&1W FNUM 1.428 ！F数为1.428
D LO2$d BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
H1r8n$h TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
J+m1d\l Bu STOP FIRST ！光阑面为表面1
eF C~&L; STOP FIX ！光阑面固定
f&!{o= NPASS 100 ！程序
优化次数为100
oAgU rl;R ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
_2X6c, RSTART 300 ！起始半径为300mm
E| y
TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
v)JS4KS QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
'?1g_C QsS FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
M8${&&[; FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
UB w*}p GLASS POS ！正透镜玻璃类型
v.F|8 cG G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
7{p6&xXx GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
HL%|DCo G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
W1ql[ DqE{ END ！以END结束，与GOALS呼应
t'[`"pp= Y%^qt]u.8 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)
5%"sv+iO ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
BBa!l e9P ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
d "25e"(~F ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
AbIYdFX B ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
KM/c^ a4V END ！以END结束，与AANT呼应
HjY! ]!4p GO ！启动程序
9JJk\, TIME ！计算时间
9\>{1"a Rbcu5.6 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 y{ >cH}sNHy
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：
)!Zm*( =g$%jM>35
?@QcKQ@
D~)bAPAD
8aTo
TA7JA
相应的局部放大镜头结构
"Ug+# ;}p$ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
,6aF~p;wI| PANT
wZt2%+$6m VLIST RD ALL
@4Lol2 VLIST TH ALL
Va^(cnwa END
MP~+@ 0cv AANT P
p21li}Iu AEC
zT ")!Df>' ACC
_Zus4&' GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
8|tnhA]~ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
)) I[@D1b GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
3x>Y M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
`! <#'PR M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
JvY s6u ACC 10 .1 1
;Qidf}: ACM 3 .1 1
=l>=]O~h ACA
e?:1wU ASC
's$/-AV END
Y?:" nhN SNAP 0/DAMP 1.00000
T>w;M?`9K SYNOPSYS 100
d'[q2y?6N
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。 lS?#(}a1)
GSEARCH输入如下： P?Kg7m W
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 E+J +fi
GSEARCH 3 QUIET LOG ]>[ 0DX]j
7#C3E$gn?
SURF av~ kF
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 ~R~eQ=8
END o_&Qb^W
WTu!/J<\
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； { }P~nP
NAMES ！玻璃名称 3 \K;y>NK
G G-ZF52 D[` ~=y(
G D-FK61 vJ e c+a
G H-ZF88 } wx(P3BHD
G H-F51 )\ J~KB4
END ！以END结束 t? Q
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 (
; _AP.
GO ！启动程序
fvj 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
p ^Y2A 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
*A0*.>@N 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
l 0eh}d rLA^ &P:
