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
J<'7z%2w 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：
kd3vlp 图1 近红外镜头初始设计
nYF;. k O*%@(w 6 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：
,f(:i ^iz! RLE ！读取镜头
W.O]f. h 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)
^]A,Q%1q^ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
'K:zW>l LOG 3119 ！日志编码
?~_[/ WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 &|8R4l C| APS 4 ！定义光阑面为表面4
6_#:LFke 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
#;WKuRv UNITS MM ！
透镜单位为毫米
[fjP.kw;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
t X Wh q 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
2xEG s Q 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
.dvO Ut I[ 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
o(5eb;"yi> 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
ha -KfkPFE 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
zQNkjQ{mx 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
/ ~\ I 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
),u)#`.l
G 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
Munal=wL 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
F=qG +T 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
zZ11J 0UI 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
8qi6>} A 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
m+ww 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
dQkp &. 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
wP: w8O 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
-T0@b8 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
rbEUq.Yk]~ 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
/l)|B 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
!eH9LRp 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
R
| &+g\{; 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
U/|;u;H= 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
*;noZ9{"+ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
mTsl"A> 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
J_H=GHMp} 8 TH 16.29978150
d77->FX2 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
`7))[._ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
E7K(I ? END ！以END结束
* t-Wol W_sAk~uK/ 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：
{}W9m)I 
<:t D m 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。
<Z -d5D > 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。
~ }g "Fe .-[d6Pnw 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
rpZ^R}B%*v 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：
'0juZ~>} 
|1@/gqa 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。
7P!Hry y 
Xaca=t sO 3 ,QsB<9Is 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。
X4D> 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。
3ZF - n` DSEARCH输入如下： xMb)4 cw} CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
5dPPm%U{ TIME ！计算程序运行时间
z' (][SB DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
jYv`kt SYSTEM ！透镜系统输入
Pl>S1 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
V\ 7O) g 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
*s"dC c WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
h
dw~AGO# UNITS MM ！透镜单位为毫米
w[A$bqz END ！以END结束，与SYSTEM呼应
,xJ1\_GI` PS13h_j GOALS ！目标设置
OjUZ-_J ELEMENTS 5 ！元件数为5
n&`=.[+A FNUM 1.428 ！F数为1.428
has \W\( BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
S S/9fT"[ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
4Hk eXS. STOP FIRST ！光阑面为表面1
BfcpB)N&.K STOP FIX ！光阑面固定
I`~ ofq?r NPASS 100 ！程序
优化次数为100
$eI=5
ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
bK 7j" RSTART 300 ！起始半径为300mm
TxN'[G TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
7<ZP (I5X 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)；
YCWt%a*I' FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
NJVAvq2E. FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
SXA`o<Ma GLASS POS ！正透镜玻璃类型
Td7=La0
G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
}=+J&c R GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
" wB~*,Ny G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
CPw=?<db END ！以END结束，与GOALS呼应
aMxg6\8 Ed(6% kd 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)
Gs2| #*6 ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
)o:%Zrk ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
<vP{U ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
O F4iGFw ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
?D6?W 6@ END ！以END结束，与AANT呼应
sO5~!W>Z GO ！启动程序
OMi_')J TIME ！计算时间
aQMUC6cPM@ /4]<ro67E6 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：
U X?EOrfJ 
XtJ _ po 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：
kb27$4mm 
?8g*"& cn P|>pm ]>C
^9{mjy0Q <3[ ,bTIk
相应的局部放大镜头结构
ot"3 3I DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
X0h`g)Bbf PANT
&vDK6w, VLIST RD ALL
EH*Lw
c VLIST TH ALL
sS 5aJ}Qs END
cTU%=/gbc< AANT P
XIg GE)n AEC
k u@sQn ACC
%Km^_JM GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
P6n9yJ$,cb GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
6` ZHFem GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
w?r M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
'zEmg} M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
KA=cIm ACC 10 .1 1
deRnP$u0 ACM 3 .1 1
dB{ VY+! ACA
W? `%it5 ASC
lK}W%hzU END
TqvgC k- SNAP 0/DAMP 1.00000
V Z#@7t SYNOPSYS 100
,)S(SnC F
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 +"u6+[E
GSEARCH输入如下： XLog+F$`
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 >uu ]K
GSEARCH 3 QUIET LOG NrHh(:
t_VF=B^LuR
SURF 8lI'[Y?3.
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 jD `p;#~8
END $.7 Ov|
O|5Z-r0<
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’；
$Ur-Q d
NAMES ！玻璃名称 0q@U>#
G G-ZF52 *dTI4k
G D-FK61 cZ<@1I5QK
G H-ZF88 }JF,:g
Lk
G H-F51 '@{'T LMCi
END ！以END结束 T i{ ~
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 ckglDhC
GO ！启动程序
LD.^.4{c: 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
zKnHo:SV 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
.4t-5,7s% 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
i^i^g5l! 
;Q1/53Y<
