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
:Zbg9`d * 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：
Vp z\.] 图1 近红外镜头初始设计
RuA*YV @ $ ;q ; 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：
{ ]{/t-= RLE ！读取镜头
i {NzV 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)
:'-/NtV)o? FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
v5#j Z $<F LOG 3119 ！日志编码
D9=KXo^ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 @ s;;O\ APS 4 ！定义光阑面为表面4
|O|V-f{l 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
x.!V^HQSN UNITS MM ！
透镜单位为毫米
{0wIR_dGX 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
ghG**3xr 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
g0=z&2Q[_) 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
5h=} j 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
.+3g*Dv{& 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
1 ~Y< //5E 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
q s6]- 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
:Uzm
3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
@]%IK(| 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
RUnSC OdX 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
d9f C<Tp 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
}%ojw | 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
0WW2i{7`U 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
|P
HT694Uz 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
r xvx 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
{tuYs: 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
h6D<go-b56 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
np"\1 9^ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
~F|+o}a `
7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
3=P]x ;[ba 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
45@ I *` 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
u"cV%(# 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
+K:Dx!9 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
N]Y d9tn{ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
y*jp79G 8 TH 16.29978150
T= y}y 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
Cx@);4arj 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
1y@i}<9F END ！以END结束
Xv5wJlc!d mW(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：
]3],r ?-tJ 
z;,u}u}aI 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。
?4#Li~q 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。
B:yGS*.tu ^+>laOzC`8 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
YN yk1cE 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：
5,lEx1{_ 
$kdB |4C 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。
~]IOK$1F% 
r ,8 [O >-RQ] ?^ 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。
4<w.8rR:A 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。
+< Nn~1 DSEARCH输入如下： zOAd~E CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
,h m\
TIME ！计算程序运行时间
oj m @t DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Gi|w}j_ SYSTEM ！透镜系统输入
Wq D4YG N ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
HTv2# 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
})H wh ). WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
h ohfE3rd UNITS MM ！透镜单位为毫米
@|Cz-J;D END ！以END结束，与SYSTEM呼应
GE:vp>>}` !3c\NbU GOALS ！目标设置
xf\ C|@i ELEMENTS 5 ！元件数为5
I YE~t FNUM 1.428 ！F数为1.428
)Yh+c=6
? BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
&.)^
%Tp\z TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
&T?RZ2 STOP FIRST ！光阑面为表面1
ehGLk7@7& STOP FIX ！光阑面固定
c)6m$5] NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Gt8M&S-; ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
: %_LpZ RSTART 300 ！起始半径为300mm
RtkEGxw*^ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
'2A)}uR QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
-lr
vKrt7 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
P [G)sA_" FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
0I-9nuw,^; GLASS POS ！正透镜玻璃类型
6##_%PO<m G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
#X+JHl GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
n$A9_cHF7 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
T#T*Zw"+ END ！以END结束，与GOALS呼应
Di ,^% GLH 0 ] 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 9
T 8r ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
y ;m | ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
S1T"Z{$ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
K(e$esLs- ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
9d0@wq. END ！以END结束，与AANT呼应
Si4!R+4w GO ！启动程序
9 R!atPz9 TIME ！计算时间
gMi0FO ' $8)+XmsCr 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
F>SRs =_ 
{ T/[cu< 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
OR P\b 
nmee 'oEw \Gef \
r8t}TU>C {r,.!;mHu
相应的局部放大镜头结构
E<rp7~# DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
nUaJz Pl PANT
xWH.^o," VLIST RD ALL
rET\n(AJ VLIST TH ALL
}`@vF|2 L END
L8@f-Kk AANT P
^ x ]r`b AEC
C#.->\ ACC
~p6 V,Q GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
~Py`P' + GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
F@D`N0Pte GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
+zqn<<9 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
B&M%I:i M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Qab>|e Sm ACC 10 .1 1
^do9*YejX; ACM 3 .1 1
n1ZbRV ACA
df8k7D;~e ASC
q~F| END
c1(RuP:S SNAP 0/DAMP 1.00000
o+iiST JEe SYNOPSYS 100
soB,j3#p'*
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 (Bb5? fw
GSEARCH输入如下： -vo} )lO
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 V cE:G#]5
GSEARCH 3 QUIET LOG fivw~z|[@
;J( 8
L
SURF sP pH*,(
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 *uRBzO}
END ZL&qp04}
y%$AhRk*U
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 4&lv6`G `
NAMES ！玻璃名称 gT{Q#C2Baw
G G-ZF52 oN~&_*FE
G D-FK61 /|m2WxK)
G H-ZF88 {_"<1C
G H-F51 .^33MWu6
END ！以END结束 XAKs0*J>
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 _#E0g'3
GO ！启动程序
F@7jx:tI 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
#6aW9GO 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
IZ-1c1
在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
q s!j>x 
yNJ B
oar
