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
?QuD:v ck 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：
6S*L[zBnA\ 图1 近红外镜头初始设计
^p3"_;p)h z&x
^ Dl 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：
RQ}0f5~t RLE ！读取镜头
(Q~ p"Ch 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)
@T>\pP]o FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
(/6~*<ZGT LOG 3119 ！日志编码
im Gg3' WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 h8# 14 ? APS 4 ！定义光阑面为表面4
JRfG]u6GU 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
rt- ^?2c? UNITS MM ！
透镜单位为毫米
-L=aZPW`M 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_cos [I 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
?Ybgzb 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
GZ xG!r - 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
V}c3}'_U] 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
4#j W}4C{ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
x93t. 5E6 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
Z]U"i 1lA 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
IpX.ube 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
=z _.R E 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
/1A3
Sw 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
@AP v?>$) 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
=QG@{?JTl 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
3-^z<* 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
3QNu7oo 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
']]C zze 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
9eG{"0) 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
U tb" 6_ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
UEkn@^&bg 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
K9\p=H^T7 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
t]dtBt].: 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
([v yY}43h 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
~cC =De X 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Ph{7S43 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
s
@A GU/v 8 TH 16.29978150
ANqWY &f 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
nd~cpHQR^ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
\OR= +\].9 END ！以END结束
>ucVrLm,X =rH '
\7T 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：
Wd9y8z; 
SQ$|s%)oB 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。
x}\_o< d 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。
BC*)@=7fx uP;qs8 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
^?-SMcUHB 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：
Ii*tux!S 
GPyr;FV!s 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。
[9}D+k F 
NOzAk%s3I H@-txO1`:: 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。
">-J+ST% 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。
'r/+z a:2 DSEARCH输入如下： `=}w(V8pc CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
3u&>r-V6Fn TIME ！计算程序运行时间
|<:Owd= DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
[Un~]E.'J SYSTEM ！透镜系统输入
3vcKK;qCB ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
M{!Y 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
QB3vp4pBg@ WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
cu~dbv6H UNITS MM ！透镜单位为毫米
/"Z6 \T9 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
QYS 1.k aRt`IcZYz GOALS ！目标设置
wWh)yfPh8H ELEMENTS 5 ！元件数为5
6!QY)H^j9, FNUM 1.428 ！F数为1.428
uD'GI BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
A bqeZn TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
7,^.h<@K STOP FIRST ！光阑面为表面1
[unK5l4_! STOP FIX ！光阑面固定
zYCS K~-GW NPASS 100 ！程序
优化次数为100
vOF"p4 ^ 3 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
\w6A-daD0 RSTART 300 ！起始半径为300mm
PN(P$6 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
8 4X/=l-c= QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
e-@.+ f2CC FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
)qbjX{GZ7 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
VuU{7: GLASS POS ！正透镜玻璃类型
o+}>E31a G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
sYMgi D GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
G C#s;X G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Exu5|0AAE END ！以END结束，与GOALS呼应
YA?46[: ktEdbALK SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
t_Q\uo} ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
!e<D2><^ ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
6g6BE^o\ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
&/\Q 6$a ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
;z Qrree# END ！以END结束，与AANT呼应
,NA _pvH) GO ！启动程序
CogN1,GJ TIME ！计算时间
Z <Rhn i 6DcLE 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：
>QA;02 
-jPrf:3 ) 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：
*)8!~Hs 
lx)Bj6 9w"kxAN
Y!1x,"O'H rBLcj;,
相应的局部放大镜头结构
uE;bNs' DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
IEP^u
`} PANT
~LG< Uu VLIST RD ALL
g> <*qd?t VLIST TH ALL
X+$IaLfCxD END
57S!X|CE AANT P
M hwuh`v% AEC
x("V +y* ACC
`B%IHr GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
}2!=1|} GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
<rbzsn"a GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
" <=HmE-; M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
yh'uH M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
R2Y.s^ ACC 10 .1 1
yh'P17N|q ACM 3 .1 1
r9vO(m~ ACA
{;2Gl $\r ASC
~ \yk{1S END
4\ pUA4 SNAP 0/DAMP 1.00000
U=vh_NHj SYNOPSYS 100
0;/},B[A
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。 L"(k ;Mfe
GSEARCH输入如下： Qw@_. I
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 [vNaX%o
GSEARCH 3 QUIET LOG /4 M~ 6LT`
I%b}qC"5M
SURF b9L" ?{
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 Zk*!,, P!
END ^!j,d_)b!
5 bHS| <
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； )1ct%rue
NAMES ！玻璃名称 _Z0O]>KH
G G-ZF52 IPa)+ ZQ
G D-FK61 T[\?fSP
G H-ZF88 {+ N7o7
G H-F51 Js0h lWu
END ！以END结束 %h^ f?.( :
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 )Zbrg~-@
GO ！启动程序
s+@`Z*B5 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
JIh:IR(ta 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
":U v
u[- 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
*,y .%`o 
DRy,n)U&
