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
b~dIk5>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：
sNun+xsf^ 图1 近红外镜头初始设计
NvM*h%ChM l
& Dxg 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：
T843 ": RLE ！读取镜头
4Ll o`K4 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)
Q)"A-"y FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
U%0Ty|$Y LOG 3119 ！日志编码
HF|oBX$_ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 q7u'_ R,; APS 4 ！定义光阑面为表面4
Z{'i F 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
TLehdZ>^ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
m f' V ) 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
[w ;kkMJAy 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
iQ{G(^sZN 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
A!^q
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
O|_h_I-2 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
=B. F;4 0 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
DBP9{ x$ 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
:1Sl"?xU 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
;# Q%j%J 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
YuB+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
T0]MuIJ). 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
+>JjvYx}\ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
J4 Dry< 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
#c2ymQm 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
\l~*PG2 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
$\9~)Rq 6 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
2;w*oop,O 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
DK}"b}Fvq 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
rx}r~0 i 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
tJN<PCG6" 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
L@fY$Rw 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
*g^x*|f6 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
:,)lm.}]t 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
zP<pEI 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
ZRYEqSm 8 TH 16.29978150
4WK3.6GN 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
m4*@o? Ow 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
=G]@+e END ！以END结束
&iV {:)L C`q@X(_ 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：
]LM-@G+Jz 
`jOX6_z?I 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。
4ni3kmvX 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。
{^N[("` )RcL/n 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
&ot/nQ Q 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：
* oybD=%4 
[pM V?a[ 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。
YX#-ny K 
L31|\x] D$x_o!JT 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
zL J/5& 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
XO'l Nb. DSEARCH输入如下： Nr=d<Us9f CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
^I+)o1%F TIME ！计算程序运行时间
}[xs~! 2F DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
/:FOPPs SYSTEM ！透镜系统输入
BX yo ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Q Nl'ZB \ OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
*<!oHEwkN WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
uyY|v$FM UNITS MM ！透镜单位为毫米
wKsT7c' END ！以END结束，与SYSTEM呼应
7>~5jYP &e8s65` GOALS ！目标设置
]EpWSs!"g ELEMENTS 5 ！元件数为5
nb>7UN.9 FNUM 1.428 ！F数为1.428
9WR6!.y#f BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
CH<E,Z
C1T TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
L/z),# STOP FIRST ！光阑面为表面1
'R:"5 d STOP FIX ！光阑面固定
71{p+3Z& NPASS 100 ！程序
优化次数为100
2j&A iD
ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
J^g!++|2P RSTART 300 ！起始半径为300mm
=3v ]gOcO TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
y(xJT j 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)；
Tq4- wE+ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
@qHNE,K FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
@n": w2^B GLASS POS ！正透镜玻璃类型
)<Hd T G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
nxl[d\ap+n GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
c[ ]4 n G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
0xXC^jx: END ！以END结束，与GOALS呼应
d09k5$=gJ E)fglYWs2 SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
v 7x:dcV ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
x UD-iSY ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
Vkc#7W ( ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
L:'J
Bhg ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
l
c '=mA END ！以END结束，与AANT呼应
ziCHjqT GO ！启动程序
D N*t~Z3[ TIME ！计算时间
"l*`>5Nn9 ?%y?rk < 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
^R@j=_8} 
=%BZ9,l 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
E\4 +_L_j 
UCClWr G"XVn~]
KkE9KwZ]W ez6EjU k
相应的局部放大镜头结构
}B.H|*uO DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
x3"#POp PANT
[`):s= FC VLIST RD ALL
S9",d~EM VLIST TH ALL
#"5 Dk#@ END
9 ^p;UA AANT P
6 M*O{f AEC
; IokThI ACC
a)'5Nw9* GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
y7i* s^ys{ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Os1>kwC GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
BFOq8}fX2 M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
w2'f/ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
6 jn3`D ACC 10 .1 1
3z&Fi;<+j ACM 3 .1 1
@ >U-t{W ACA
ixT:)|'i ASC
[F6U+1n8e END
&@yo;kB SNAP 0/DAMP 1.00000
= {xE!" SYNOPSYS 100
rq/I` :
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。
#c66)
GSEARCH输入如下： [a
wjio
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 &Ob!4+v/GP
GSEARCH 3 QUIET LOG 8 {X"h#
j_. 5r&w
SURF c>)Yt^ q&K
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 PJL=$gBgKk
END M%kO7>h8
C
.~+*"Vw
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； {R? U.eJW
NAMES ！玻璃名称
ftF@Wq1f
G G-ZF52 +P`*kj-P\
G D-FK61 `.Qi?* ^
G H-ZF88 Evjj"h&0J
G H-F51 EpX&R,Rxk
END ！以END结束 [ S>2ASj
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 n4#;k=mA
GO ！启动程序
d!
LE{ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
DRi<6Ob 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
{*I``T_+ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
TmV,&['mg 
7M <'/s
