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
s\-^v j3 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：
N,><,7!q$,
图1 近红外镜头初始设计
w|1Gb[ ,Cj8{s&; 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：
wq( m%F RLE ！读取镜头
D(GAC!|/] 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)
K%p*:P FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
8J - ;/ LOG 3119 ！日志编码
yL&_>cV WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 ` tCOe APS 4 ！定义光阑面为表面4
^1% gQ@ P 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
-CTsB)=\, UNITS MM ！
透镜单位为毫米
h)M9Oup` 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
~'4:{xH 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
's]+.3">L1 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
us.+nnd 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
b=#3p 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
wmNc)P 4 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
G0^O7w^5 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
p,?8s% 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
'(/ZJ88JP 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
=](c7HEQf 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
O ).1> 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
@UO=)PxN3 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
}G 8RJxy 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
#"M ' Cs 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Lp \%-s#5s 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
y\
nR0m 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
]`D(/l' 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
Kis\Rg 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
X;5U@l 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
E(T6s^8 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
+ R)x5 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
h(;qnV'c 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
.P=uR 8 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
&DX9m4,y 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
vf@d (g 8 TH 16.29978150
&)vX7*j 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
IbpE@C 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
E<3hy END ！以END结束
DA
oOs}D fB5Bh;K 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：
h2 Ifq!(: s,^?|Eo;0
+w/Ax[K Tk-PCra 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。
SVp]}!jI 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。
US )wr I~S`'()J 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
E{r_CR+8 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：
VEd#LSh ~ (B\X?v
=JyYU*G 4 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。
_QtqQ~f !^ 6x64r
M[_~7~4 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。
vi0% jsI 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。
>TsJ0E?3x DSEARCH输入如下： ',0~ \ V CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
uL b-
NxQ- TIME ！计算程序运行时间
lN+NhPF DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
QB@qzgEJ!, SYSTEM ！透镜系统输入
ew4 IAF ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
_]tR1T5e 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
"zw? AC6 WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
bF' ~&<c UNITS MM ！透镜单位为毫米
Wuo sr3P END ！以END结束，与SYSTEM呼应
6mEW*qp2F UL[4sv6\9 GOALS ！目标设置
VzpPopD,QW ELEMENTS 5 ！元件数为5
Qd!;CoOmZs FNUM 1.428 ！F数为1.428
^lu)'z%6 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
hzPx8sO TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
ckt^D/c2 STOP FIRST ！光阑面为表面1
9Pd~ STOP FIX ！光阑面固定
jjvm<;lv NPASS 100 ！程序
优化次数为100
;FZ\PxN ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
c0<Y017sG RSTART 300 ！起始半径为300mm
{H $\ , TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
6 kT
l(+ QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
f \~e& `PV FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
|i?At Ot@f FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
7^KQQ([ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
2>fG}qYy$ G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
\\hZlCV, GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
/~7H<^ } G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
nB,FJJ{kb END ！以END结束，与GOALS呼应
P>pkLP}
Vo #Op fc8pm' 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)
S97.O@V!$ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
=JO|m5z8> ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
~c?yHpZx% ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
#TW$J/Jb ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
r=L9x/r END ！以END结束，与AANT呼应
>Fx $R ty GO ！启动程序
cw"x0 RS TIME ！计算时间
Z
mi<Z r.i.w0B( 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：
5B2x#
m|8 AV d
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：
m1F<L gyCb\y+\a
FN,0&D}`
aE#ZTc=
&1Cq+YpI
相应的局部放大镜头结构
;xB"D0~,1 DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Mh+'f 93 PANT
QV .A.DK VLIST RD ALL
i+&= "Z@ VLIST TH ALL
'R] Z 9h END
R X2=
iO" AANT P
'hya#r C&( AEC
{f^30F w ACC
[PX'Jer GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
[7I| 8 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
P< WD_W GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
o=`9JKB~ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
VpV w:Rh> M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
/0o 2 ACC 10 .1 1
7abq3OK+` ACM 3 .1 1
"BFW&<1 ACA
(6h7 'r $ ASC
er#we=h END
2WUBJ-qnuT SNAP 0/DAMP 1.00000
t&P5Zw*B
SYNOPSYS 100
f2yv7t
T
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。 zi-+@9T
GSEARCH输入如下： cF(9[8c{
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 }?fa+FQGp
GSEARCH 3 QUIET LOG yPQ{tS*t
FwW%@Y
SURF 0x`:jz`
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 bR8)s{p6
END O4E2 )N
23OV y^b
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； w`7l ;7[
NAMES ！玻璃名称 T=R94
G G-ZF52 /GeS(xzQ
G D-FK61 [ThzLk#m
G H-ZF88 CqX%V":2
G H-F51 P)\f\yb
END ！以END结束 Xj@Kt|&`k
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 C|lMXp\*
GO ！启动程序
@2$8o]et 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
?Jr<gn^D 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
{(q U n 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
<bjy<98LT hy]AH)?pR
