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
%Mng8r 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：
G:c8` *5Q 图1 近红外镜头初始设计
qIGu#zX W z[\W\g*|ri 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：
T dP{{&'9 RLE ！读取镜头
qN1 -plY 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)
@SC-vc FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
pO/SV6N LOG 3119 ！日志编码
W]D`f8r9 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 p~q_0Pg% APS 4 ！定义光阑面为表面4
7t-*L}~WA 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
B2G5h baA UNITS MM ！
透镜单位为毫米
K rr?`n 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
|c
oEBFG 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
3W-NS ~y 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
h 76NR 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
!/4 V^H 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
Y R|(;B 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
u1; e*ty 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
o7Cnyy#: 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
i VKbGgA 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
%< wQ 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
^%oG8z,L 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
p&OJa$N$[ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
| 3N.5 { 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
ST:
v3* 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
!#c[~erNZ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
s -GleX< 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
@cu }3> 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
tB ,. 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
!$p2z_n$@. 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
of+phMev 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
u+z .J4w 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
]{AOh2Z.hv 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
XW U v P 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
v ?Yd LR 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
cXb
@H# 8 TH 16.29978150
}_a +X 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
hy$MV3LP 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
c#{Y wh END ！以END结束
{+ C %D' vbRrk($` 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：
23}BW_ m 
P~Te+ -jX} 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}@?NGC 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。
QJM-`( \3H<z@; 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
#1QX!dK+ 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：
3 x"@**(Q 
+Cn yK(V 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。
8!u/
wJ80};! ]z-']R; 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。
{yvb$ND|j{ 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
n_""M:X H DSEARCH输入如下： F5N>Uqr*oN CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
N?qIpv/a. TIME ！计算程序运行时间
O`wYMng) DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
jIAW-hc] SYSTEM ！透镜系统输入
>AR Tr'B ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
C rnB{Z4L OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
CS~=Z>6EjA WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
94T}iY. UNITS MM ！透镜单位为毫米
to99 _2 END ！以END结束，与SYSTEM呼应
E$]a?uA: jd ["e I GOALS ！目标设置
%B#hb<7} ELEMENTS 5 ！元件数为5
6#E]zmXO2 FNUM 1.428 ！F数为1.428
'R^i KN Ps BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
wzD\8_;6N TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
O24Jj\" STOP FIRST ！光阑面为表面1
-M"IVyy@ STOP FIX ！光阑面固定
wl7 M fyU NPASS 100 ！程序
优化次数为100
qTyg~]e9( ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
wn
&$C0 RSTART 300 ！起始半径为300mm
Y3-]+y%l TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
oJP< 'l1 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)；
sW;7m[o FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
}Q/G
&F FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
WwW" fkv GLASS POS ！正透镜玻璃类型
"Jb3&qdU G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
%lXbCE:[ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
WI,40&< G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
q&u$0XmV END ！以END结束，与GOALS呼应
?V#G x> \ iPMB$SdfO 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)
M6 # \na ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
{UP'tXah ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
zLh Fbyn( ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
m])Lw@#9W ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
-Bj.hx* END ！以END结束，与AANT呼应
< \h*Zy GO ！启动程序
Uf# PoQ!y TIME ！计算时间
>OT \~C V?=TVI*k 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：
Q`N18I3 
S2ark,sp6 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：
"cwR^DoD& 
/E)9v$! *yrnK3
[d}qG#N |,3l`o
k
相应的局部放大镜头结构
mn. `qfMh DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
:#WEx_] PANT
h9)RJSF4 VLIST RD ALL
sN-oEqS VLIST TH ALL
+Z > < END
` "B^{o AANT P
; VBpp< AEC
9GTh yY ACC
/M:H9 Z8! GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
w}d}hI GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Y: wF5pp; GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
f7Zf} 1| M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
L.kD,'G}> M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
8\DME ACC 10 .1 1
L7m`HVCt& ACM 3 .1 1
A]j}' ACA
g&bwtEZ ASC
e[}],W END
B3Mx,uXT\ SNAP 0/DAMP 1.00000
0rcjorWI SYNOPSYS 100
u^l*5F%D K
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 z`OkHX*+2|
GSEARCH输入如下： lcCJ?!lsSW
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 ^T{8uJ'k n
GSEARCH 3 QUIET LOG b{BaQ>.(`
u% xDsT DP
SURF gGmxx,i
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 ~ 6kJ~R4
END O] H=s
uWTN 2jr
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； k Q~ %=pn
NAMES ！玻璃名称 EMh r6</
G G-ZF52 t=i/xG: 5
G D-FK61 Q<yAT(w
G H-ZF88 YN^T$, *
G H-F51 O ^0 "
END ！以END结束 ;b1wk^,Hw~
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 /~*Cp9F"]
GO ！启动程序
S*g`d;8gV 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
%9X{{_ 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
xor TL8 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
=5 3b Lzr 
[fxuUmU
