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
>H,PST 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：
F*=}}H /
图1 近红外镜头初始设计
A&:~dZ:% w |],oc AN{ 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：
%
r0AhWv RLE ！读取镜头
5/i] Jni 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)
j\2q2_f FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
}c'T]h\S LOG 3119 ！日志编码
/0 86qB| WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 9 tI E+RD APS 4 ！定义光阑面为表面4
n@9R|biO 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
YH{FTVOt{C UNITS MM ！
透镜单位为毫米
J;Eg"8x] 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
xcQ:&q 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
pR3K~bx^ 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
U9h@1: 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
"PC9[i 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
F,JqHa9 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
k
Hh0&~ ( 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
[\.@,Y0j 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
{\ J%i|u 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
e%KCcU 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
90!67Ap`x 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
~s>Ud<l%r 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
D*!9K8<o 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
7DIFJJE' 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
=VF %Z[Gm 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
=xM:8
hm 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
AP(%m'; 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
8Oo16LPD 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
? 9;r|G 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
lM[FT=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
W_h!Puj_ 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
^( 1S`z$ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
L+NrU+:=C 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
B S+=* 3J 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
fk(h*L|sI 8 TH 16.29978150
o7v, :e: 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
>n pFg@A 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
IeGVLC END ！以END结束
3Hkb )Wu ;g_<i_ *x# 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：
9v(k<('_ 5VGr<i&A
]McDN [h: 6|]e}I@<2 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。
<{1=4P A 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。
nSB@xP#& Vi<F@ji 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
!Bn,f2 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"
>kF@]c8 ZG Qz@H5
H]Vo XJ\* 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。
d`4F E>k!d'+tb
Un\
T}
c 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。
lAo S 9w 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。
:U/ x ( DSEARCH输入如下： ?TY/'-M5 CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
?eri6D,86w TIME ！计算程序运行时间
& HJ'//bv DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
KU (g Zy SYSTEM ！透镜系统输入
_W gpk 0 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
El |Y]f 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
YQ7tZl;:t WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
Rge \8H/z UNITS MM ！透镜单位为毫米
287)\FU;3 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
\* S Ej&9 KN"<f :u GOALS ！目标设置
>2dF^cDE-3 ELEMENTS 5 ！元件数为5
n_Bi HMIU' FNUM 1.428 ！F数为1.428
c^`(5}39v BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
Yo[Pu< zR TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
m$B)_WW STOP FIRST ！光阑面为表面1
_/cL"Wf STOP FIX ！光阑面固定
{V5eHn9/Q' NPASS 100 ！程序
优化次数为100
+<w\K* ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
{qL}:ha? RSTART 300 ！起始半径为300mm
+/DT#}JE TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
QW_W5|_ QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
!MQVtn^C# FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
*e
*V%w~75 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
)9z3T>QW GLASS POS ！正透镜玻璃类型
]6z ;
M;F` G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
;B6m;[M+ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
(v1~p3H G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
l[M?"<Ot; END ！以END结束，与GOALS呼应
s[#ww
=T\ IHvrx:7 SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
= `oGH ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
tW} At ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
6;#Rd| ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
6>j0geFyE2 ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
m! _*Q END ！以END结束，与AANT呼应
x0$# 8 GO ！启动程序
W^N|+$g>H TIME ！计算时间
<-F[q'!C1 EN{o3@ O' 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
AQIBg9y7 q-TDg0
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
TI}Y U
w[Q)b()
8N9X1Mb |
d .t$V RO
t$-!1jq
相应的局部放大镜头结构
)l[bu6bM DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
#0'%51Jcl PANT
V3q[ #.o VLIST RD ALL
l{4rKqtX VLIST TH ALL
p@iU9K\, END
c!dc`R AANT P
JpC_au7CX AEC
6"<q{K ACC
jCp`woV GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
S0mzDLgE GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Ji7<UJ30x GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
p^*A&7d:P M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
95 l)w M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
OS sYmF ACC 10 .1 1
sglH =0MP ACM 3 .1 1
9N V.<&~ ACA
<Xl/U^B ASC
N Nw0
G& END
l" +q&3Zx SNAP 0/DAMP 1.00000
`PS>"-AY2 SYNOPSYS 100
xj;V
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 ?z0N- A2C2
GSEARCH输入如下： lL"ANlX-P
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 oUx%ra{
GSEARCH 3 QUIET LOG U *:E|'>
ndS8p]P&o(
SURF s"B+),J od
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 )>I-j$%=2
END r>cN,C
njckPpyb@
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； @^Yr=d ba
NAMES ！玻璃名称 VCQo3k5
{
G G-ZF52 {B[ }}wX$
G D-FK61 ubUVxYD?
G H-ZF88 yZkS
G H-F51 d;.H 9Ne
END ！以END结束 VMH^jCFp
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ,)ZI&BL5
GO ！启动程序
/_</m?&.U& 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
do:IkjU~ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
}No8t o 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
p((a( Q/ fi [ 4F
