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
TO G:N~ 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：
p+d O w #
图1 近红外镜头初始设计
q;7DH4;t ;V?d;O4u 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：
~@#a*=" RLE ！读取镜头
7:<A_OLi 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)
?/my G{E FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
15r=d LOG 3119 ！日志编码
'K#ndCGJ$ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 c]/S<w< APS 4 ！定义光阑面为表面4
c5: X$k\ NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
Cl{Ar8d} UNITS MM ！
透镜单位为毫米
J ;4 aghzY OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
mkl^2V13~ 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
[+!&iN 1 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
+[_3h9BK 1 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+01 ! ZNS材料的折射率温度系数
dP`B9>r 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
yrd1 J$ 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
ZDov2W 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
tBX71d
T 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
d`~~Ww1 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
2U( qyC 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$rF-? 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
h_Sk X@"/- 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
=%c\<<]aV 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
+'nMy"j1 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
TPak,h(1 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
q alrG2
5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
BRM!g9 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
|q z%6w= 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
DuIXv7"[ 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
Rd|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
ZY @ntV? 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
K<kl2 # 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
\ Ce*5h 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Vjw u:M 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
9C0 #K\ 8 TH 16.29978150
y*6/VSRkt4 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
$L?KNXHAF! 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
w~ON861 END ！以END结束
ivyaGAF}+o RBBmGZ 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：
,>8w|951' 1X&jlD?
h72CGA| tC5-^5[y 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。
x0: BxRx* 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。
$EX(- !c -V;BkE76 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
WqF$-rBJG^ 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：
i^V(LGQF wy0?*)~
S!+>{JyQ 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。
44|tCB` Kf*Dy:e
%:zu6 8Q[ 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。
HD/!J 9& 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。
rNTLP
m
DSEARCH输入如下： _53~D= CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
:O$bsw:3w< TIME ！计算程序运行时间
o. ;Vrc DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
|_>^vW1f SYSTEM ！透镜系统输入
@un+y9m[C ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
TEMxjowr OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
G\TO ]c WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
|ns?c0rM UNITS MM ！透镜单位为毫米
n|LpM . END ！以END结束，与SYSTEM呼应
%yu =,J j F=
%A9b_a GOALS ！目标设置
e,MsF4' ELEMENTS 5 ！元件数为5
-Ou.C7ol FNUM 1.428 ！F数为1.428
XWyP' \ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
?%}!_F`h% TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
stBe ^C STOP FIRST ！光阑面为表面1
fe,6YXUf STOP FIX ！光阑面固定
pDSNI2 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
2wHbhW [ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
j)6p>6 RSTART 300 ！起始半径为300mm
Xq&B L,lS TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
Jk6}hUH, QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
%S}uCqcAK FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
>( [,yMIY FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
});R jg GLASS POS ！正透镜玻璃类型
2R.L LE G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
~"CGur P GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
-4&
i t: G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
=4a:)g' END ！以END结束，与GOALS呼应
S!.&# sc !W9:)5^X SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
HOF$(86zqA ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
\ /o$io,kV ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
(Y@T5-!D ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
Xa?O)Bq . ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
6 AGZ)gX END ！以END结束，与AANT呼应
- 6HwG fU GO ！启动程序
yy7(')wKO TIME ！计算时间
EZ]4cd/i 4^F% bXJ) 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
%gh#gH <78|~SKAV
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
*}d N.IL, .Dr !\.hL
R=lw}jH [Z
]A'{DKR
yXJ25Axb
相应的局部放大镜头结构
h<`aL;.g DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
kz7F QE PANT
R[ a-" VLIST RD ALL
'\tI| VLIST TH ALL
~\jP+ [>M' END
VP~2F
E AANT P
6FA+q YSV AEC
>|E]??v ACC
Q L WnP- GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
a (~Y:v GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
&uK(. @ GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
<m]0!ii M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
Yi*F; V M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Mh. 1 KI[t ACC 10 .1 1
(?7=,A7^ ACM 3 .1 1
iZ-R%- }B ACA
>u&D@7~c ASC
usB *Wn8 END
A'DFY { SNAP 0/DAMP 1.00000
%8FfP5# SYNOPSYS 100
i[!|0U`p
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 sFTAE1|
GSEARCH输入如下： E EDFyZ
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 mH& 7{2r
GSEARCH 3 QUIET LOG OlOOg
p%I'd^}.!
SURF Hd|[>4 Z
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 4 XjwU`
END = :gKh
Rql/@j`JX
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； ^l!SIu
NAMES ！玻璃名称 ca g 5w~Px
G G-ZF52 ("2X8(3z
G D-FK61 mqZH<.mn
G H-ZF88 ,a?)O6?/
G H-F51 tOiz tYu
END ！以END结束 w}xA@JgQ%
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 'Qy6m'esW
GO ！启动程序
o5o myMN 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
Z7a@$n3h 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
i%K6<1R;y{ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
V *j l # )y`Zz{h
