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
,
'pYR]3 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：
xQFRM aQE 图1 近红外镜头初始设计
[c?0Q3F l# 0zHBc 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：
n_QuuUB RLE ！读取镜头
3qWrSzi D 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)
%xgP*%Sv2 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
yX&#
rI LOG 3119 ！日志编码
0)dpU1B#M WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 g#I`P& APS 4 ！定义光阑面为表面4
^%\a,~ 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
SgU@`Pb UNITS MM ！
透镜单位为毫米
>k
@t.PeoV 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
Il =6t 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
fk}Raej g 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
cj>@Jx}]M 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
:DH@zR 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
WA n@8!9 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
!{ &r|6 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
2f(`H SC' 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
+ wQ5m8E 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
UC&$8^ 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
]y OM 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
m-{DhJV 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
/M5.Z~|/ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
o#FctM'Z 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
U#f* 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
*RY}e 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
dO D(< 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
IQBL;=.J. 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
u8"s#%>N y 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
v8-szW). 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
m]DP{-s4 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
;8H&FsR 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
=o@}~G&HA 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
b8a (.}8* 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
U'jmgHq 8 TH 16.29978150
6F^/k,(k4 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
rT="ciQ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
B+FTkJ0t+G END ！以END结束
%Vo' \| Qz`evvH 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：
1 =]#=)+ 
$ (& uaDYv 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。
IiKU =^~w 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。
<_/etw86Z GUQ3XF\ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
0Y`+L6&UX 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：
z7fX! '3V 
F]OWqUV 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。
hbXm Ist 
5!Er ;e pTA m } 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。
" "`z3- 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。
UXSwd#I& DSEARCH输入如下： :MDFTw~ | CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
tT`S"
9T TIME ！计算程序运行时间
z%fjG} z DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
Q8TR@0d SYSTEM ！透镜系统输入
"P5,p"k:) ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
,ig `'U 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
+ fvVora WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
FkMM>X UNITS MM ！透镜单位为毫米
: |l0x a END ！以END结束，与SYSTEM呼应
oKRI2ni$j9 <a
CzB7x GOALS ！目标设置
*h?*RUQ ELEMENTS 5 ！元件数为5
w_@6!zm FNUM 1.428 ！F数为1.428
!rx5i BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
0>Kgz!I TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
6/a%%1c1 STOP FIRST ！光阑面为表面1
`34+ ~;;Jh STOP FIX ！光阑面固定
B"7~[,he NPASS 100 ！程序
优化次数为100
i [/1AI ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
o/U}G,| G RSTART 300 ！起始半径为300mm
e{:
-N TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
USE! QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
* R&77 o7 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
7x*L 1>[`' FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
_Wp,
z` GLASS POS ！正透镜玻璃类型
#,j m3M qj G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
L#V e [ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
\KEmfCx'n G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
zPvTRW~H\ END ！以END结束，与GOALS呼应
*E@as j"0TAYmXwu SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
DUf . F ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
CJ;D &qo ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
V" 5rIk ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
@M*5q# s ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
]VVx2ERs END ！以END结束，与AANT呼应
3qfQlqJ&3 GO ！启动程序
> wV2` 6 TIME ！计算时间
(i)O@Jve J <L"D/ 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
: 2L-Nf 
\n0Gr\: 图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
mqQ//$Y
B3u:D"t 'kCr1t
e<{Ani0 LZPLz@=&]
相应的局部放大镜头结构
5X`m.lhUc DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
r2;+ACwWf_ PANT
6K.0dhl>`B VLIST RD ALL
w3Qil[rg VLIST TH ALL
.|6Wmn-uS END
j W|M)[KJN AANT P
\T!tUd AEC
p 6{8t} ACC
7baQ4QY?n GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
grCz@i GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
x8rp Z GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
0o!Egq_ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
ma2-66M~j M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
^^*dHWHn< ACC 10 .1 1
C'z}jM`g ACM 3 .1 1
_K>YB>W}7 ACA
]\%u9,b%! ASC
]+78
"( END
_ %aJ/Y0Cy SNAP 0/DAMP 1.00000
wtro'r3 SYNOPSYS 100
dBp)6ok#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。 z`@|v~i0`
GSEARCH输入如下： "\Nn,3qp
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 } W"/h )q
GSEARCH 3 QUIET LOG &14Er,K
3hzKd_
SURF &p^8zE s
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 pj'[
H
END }W* q
^&8xfI6?
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； Q K/~lN
NAMES ！玻璃名称 ^{fA:N=
G G-ZF52 u yWt{ >$
G D-FK61 k |
,F/:
G H-ZF88 g~$cnU
G H-F51 h>'Mh;+
END ！以END结束 -Fs<{^E3j
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ],ISWb
GO ！启动程序
nx'D&, VX 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
kC-OZ VoO 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
0h~7 "qUF@ 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
s(Llz]E~ZX 
niJtgK:H^
