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
M,lu)~H 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：
J#nEGl|a 图1 近红外镜头初始设计
v:b%G?o 1 crjRbi 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：
w| # 79,& RLE ！读取镜头
o4795r,jz 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)
.=D6<4#t FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
EaL+}/q& LOG 3119 ！日志编码
'93& ? WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 O;tn5 APS 4 ！定义光阑面为表面4
4 .qjTR 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
}=)"uv UNITS MM ！
透镜单位为毫米
3EdPKM j& 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
AS
u l 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
? ' nMZ 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
2|EoP-K7 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
%J'_c|EQM 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
A&#Bf#!G 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
}%|OnEk" 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
],m-,K 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
_l<"Qqt 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
~a Rq\fx{ 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
{:cA'6f.b 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
?,[w6 O* 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
m-]"I8 [ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
VI{1SIhfa 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
l0V@19Ec 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
F.9|$g*ip 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
y uq E 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
,.B8hr@H6- 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
s,= ^V/c 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
uNDkK o<M 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
^
T S\x/P 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
rCYn YA 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
_L ].n)b 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
t!$/r]XM h 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
`Hqu 2
'` 8 TH 16.29978150
SQ[}]Tm;n 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
MmB-SR[>P 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
t<=L&:<N END ！以END结束
V^D#i(5 0%GWc}o 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：
4+0Zj+
q"; 
8,Z0J 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。
g o@}r< B$ 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。
L xO'$oKZV =
zSr re 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
<f%9w] 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：
!E8JpE|z# 
)_ y{^kn3^ 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。
:>;#/<3{ 
L r,$98Dy aNz%vbh\ 接下来，使用SYNOPSYS软件独特的DSEARCH搜索定焦镜头功能来自动设计近红外镜头。在这里，我们需要注意的是：首先必须在DSEARCH中指定两种玻璃类型，用于红外
系统。
YZ}gZQ.A0 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
5y)kQ<x" DSEARCH输入如下： Us<lWEX;k CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
Hcpw [%( TIME ！计算程序运行时间
{XAKf_Cg DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
cjL!$O E6 SYSTEM ！透镜系统输入
Jg:'gF]jt ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
[O3R(`<e5 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
LLMkv!%D WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
>Y:ou N~< UNITS MM ！透镜单位为毫米
sdY6_ HtE END ！以END结束，与SYSTEM呼应
< 5.{ +!BM = 2k+/0ZbP GOALS ！目标设置
0t~--/lA ELEMENTS 5 ！元件数为5
$T6<9cB@ FNUM 1.428 ！F数为1.428
?'%&2M zM BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
_VJb i,V TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
aCanDMcBnq STOP FIRST ！光阑面为表面1
B3D4f YQ STOP FIX ！光阑面固定
T F'ssD NPASS 100 ！程序
优化次数为100
LZeR .8XM> ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
3+Q6<MS
q RSTART 300 ！起始半径为300mm
~ M"[FYw[ TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
;RrfE8mGj QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
5H79) n> FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
Zqao4 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
E,;nx^`!l GLASS POS ！正透镜玻璃类型
1)%o:Xy o G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
%l,Xt"nS# GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
\ l:n G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
BdceINI END ！以END结束，与GOALS呼应
4]cOTXk9C lfhB2^ ^ SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
cc>h=%s` ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
k"; ;Snk ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
E?;W@MJi ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
H dGy$m` ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
zIL.R#|D= END ！以END结束，与AANT呼应
71~V* GO ！启动程序
7S Qu TIME ！计算时间
GV g0)} +"C0de |- 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：
KT8Fn+ 
0]Li "Wb 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/k0H 
{U4%aoBd8 $ }&6p6|
,
w_ Ew al5?w{us
相应的局部放大镜头结构
";jhj:Xj DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
8T%z{ A1T PANT
`5 27vK
6 VLIST RD ALL
2sXW eiJy; VLIST TH ALL
E Z$m4: {e END
SDot0`s> AANT P
%9M_ * ] AEC
rUj]6j=e ACC
rc$G 0O GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
G6I>Ry[2 ? GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
b&!X#3(KT GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
l<gg5 Zea M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
LTi0,03l< M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
t]Oxo`h= ACC 10 .1 1
+VTMa9d ACM 3 .1 1
#"TTI
vd0 ACA
FzNs >* ASC
M*t{?o/t; END
D@!#79:) SNAP 0/DAMP 1.00000
^Zg"`&E SYNOPSYS 100
,3x3&c
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。 $oh}!Smt
GSEARCH输入如下： @o_-UsUX
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 x ;kW }U
GSEARCH 3 QUIET LOG Wz9 }glr
EKgTRRW
SURF S25&Uw Uw
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 ;Lz96R@}
END ]m YY1%H8M
<zrGPwk
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； 3C5<MxtK
NAMES ！玻璃名称 @dw0oR F
G G-ZF52 p6|0JBm
G D-FK61 iEnDS@7
G H-ZF88 y_QK _R< f
G H-F51 I>:M1 Yc0
END ！以END结束 q&7J1
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 Yf<6[(6 O
GO ！启动程序
_},u[+ 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
!}<Y^=" 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
U@DIO/C,m` 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
9z,V]v= 
=lA*?'kd
