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
+g6t)Gl 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：
X>`5YdT~+ 图1 近红外镜头初始设计
;F:~HrxT} v>&sb3I 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：
!PIpvx{aX RLE ！读取镜头
jbU=D:| 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)
dmkd.aP4 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
#r ;;d( LOG 3119 ！日志编码
ie f~*:5 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 V?*\ISB`} APS 4 ！定义光阑面为表面4
1sT%g}w@| 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
a9=pZ1QAG UNITS MM ！
透镜单位为毫米
zL<<`u? 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
=Bq3O58+ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
c-a he;q 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
L
=kc^dU 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
nb GB84 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
GWU"zWli]z 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
d,R 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
z+Cw*v\Y 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
CfWtCA 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
O&Ws*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
y[ W<vb+F 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
{4@+
2) l 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
keBf^NY 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
4%3R}-'mh 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
b& l/)DU 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
D_HE! fl 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
#00k7y>OyD 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
h5:>o 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
:RH0 .5) 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
z`^DQ8+\j 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
},d`<^~ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
soH
M5<U 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
oB m^RHTZ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
> Y h7By 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
\;h+:[<e1 8 TH 16.29978150
aa'u5<<W 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
"0nT:!BZ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
WP@IV;i END ！以END结束
~_z"So'|F_ ,EAf/2C 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：
!w!} `|q 
"K"]/3`k- 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。
d=TZaVL$$ 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。
Zj*kHjn" RcASFBNpS 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
: *~}\M* 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：
q ]-CTx$ 
X/
\5j
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,{gDd+
AF=9KWqf
jWg7RuN 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。
\uumNpB*n 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。
)]=1W
DSEARCH输入如下： uA } w?; CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
V>{G$(v$ TIME ！计算程序运行时间
a^ vXwY DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
],fu#pi=] SYSTEM ！透镜系统输入
Ag> E% N ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Xm|Uz`A; 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
nTJ-1A7EP WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
n9; z= UNITS MM ！透镜单位为毫米
ii.L]#3y END ！以END结束，与SYSTEM呼应
=1JS6~CTLN T,Bu5:@# GOALS ！目标设置
"funF vY ELEMENTS 5 ！元件数为5
B]` !L/ FNUM 1.428 ！F数为1.428
e~#"#? BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
&
*^FBJEa. TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
sG/mmZHYzr STOP FIRST ！光阑面为表面1
"5KJ /7q! STOP FIX ！光阑面固定
U 5 `h NPASS 100 ！程序
优化次数为100
$a.!X8sHB. ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
RG'Ft]l92N RSTART 300 ！起始半径为300mm
ad\?@>[ I TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
ZfpV=DU QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
Nh I&wl FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
,&DK*LT8U FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
+h64idM{U GLASS POS ！正透镜玻璃类型
V)$y G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
_f~(g1sE GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
$`2rtF G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
*H"IW0I END ！以END结束，与GOALS呼应
-+'fn$ 19Cs
3B \4 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)
@R5jUPUVV ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
Bf72 .gx{0 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
pJ` M5pF ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
'IorjR@ 40 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
O8 ; `6r END ！以END结束，与AANT呼应
yGNZw7^( GO ！启动程序
K3jPTAw=# TIME ！计算时间
Ub0hISA /Hox]r]'e 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：
j>2Jw'l; ? 
X q3n7d. 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：
Ywj=6 + ; 
uHBEpqC % K[wOK
ZZkxEq+D $Hx00
h o
相应的局部放大镜头结构
^2gDhoO_ DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
R W= <EF& PANT
wq|~[+y VLIST RD ALL
AN!MFsk VLIST TH ALL
j@kL`Q\&I END
e&Z\hZBb AANT P
uS9:cdH AEC
U($sH 9, ACC
+3HukoR( GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
HT]v S}s GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
f8ap+][ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
;2o+|U @ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
2v!ucd} M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
?;{fqeJz ACC 10 .1 1
"[` .I*WNo ACM 3 .1 1
-hM
nA)+ ACA
8 1 \$X ASC
e
~X<+3< END
UbBo#(TZ) SNAP 0/DAMP 1.00000
Hp o/CY/ SYNOPSYS 100
]dX HjOpA
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。 q<Zdf
GSEARCH输入如下： '64&'.{#>r
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 -{Lc?=
GSEARCH 3 QUIET LOG KY)r kfo B
I91p X<NBf
SURF
b>N) H
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 89I[Dg;"u
END ^y .e
Fz
_9Pxtf
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； xy@1E;
NAMES ！玻璃名称 yOn +Y
G G-ZF52 b \/:-][
G D-FK61 )4d)G 5{
G H-ZF88 3Lxk7D>0c
G H-F51 &G5=? ub
END ！以END结束 p_!;N^y.
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 Qm| Q0u
GO ！启动程序
0>
pOP 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
^!]Hm&.a 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
u-W6 hZ$ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
,`7;S,f 
=-M)2&~L~
