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
: Ud[f`t 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：
aRj>iQaddx 图1 近红外镜头初始设计
3[p_!eoW #Z =tJ 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：
J?)RfK|! RLE ！读取镜头
J2GcBzRH 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)
<Y 4:'L6 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
OwzJO LOG 3119 ！日志编码
dN Y"]b WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 N\t1T(C| APS 4 ！定义光阑面为表面4
KH KS$D NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
PZ:u_*Vu` UNITS MM ！
透镜单位为毫米
1`f_P$&Z_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
;y?) ;!g 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
?<X(]I.j 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
,Y_{L| :w 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
fi PIAT} 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
W!$zXwY }( 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
X{Yw +F,j 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
[}nK"4T"Ri 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
hRaf# 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
,lY aA5&I 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
qOCJT Og7 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
Hyk'c't_O 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
~+D*:7Y_ 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
bTmL5}n 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
@b&84Gn2
r 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
*#>F.#9 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
HCA{p R` 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
!Gs} tiMH 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
1.@vS&Y7OE 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
R)Q 4 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
P sj bR 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
Df07y<>7Q 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
S{F-ttS" 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
[um&X=1V8 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
\jW)Xy 8 TH 16.29978150
jX=lAs~6 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
*ck}|RhR 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
t
*6loS0+ END ！以END结束
`&7RMa4= W -2i+g) 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
Zp `T 
:b M+&EP 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
H! r &aP 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
/4S;QEv #~Q=h`9 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
s PYX~G&T 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
:1fagaPg 
Qez SJ
io 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
I?Y d
,krS-. </oY4$ l' 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。
g#^|oYuH6 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。
6k0^ x Q DSEARCH输入如下： r((T avn CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
#Fd W/y5 TIME ！计算程序运行时间
^tAO _ ~4 DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
"X1vZwK8N SYSTEM ！透镜系统输入
8:;#,Urr ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
t\y-T$\\ OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
V 2zn U WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
+H'\3^C- UNITS MM ！透镜单位为毫米
y0q#R.TOm END ！以END结束，与SYSTEM呼应
QX0 Y>&$ ) W? ,$!]0 GOALS ！目标设置
z_SagU,\ ELEMENTS 5 ！元件数为5
XF,<i1ZlM FNUM 1.428 ！F数为1.428
/0==pLa4 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
zhEo(kU!
TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
0Oxz3r%} r STOP FIRST ！光阑面为表面1
~t/JCxa STOP FIX ！光阑面固定
q^Tis>*u6 NPASS 100 ！程序
优化次数为100
r2eQ{u{nX ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
ai ftl Y RSTART 300 ！起始半径为300mm
/A(NuB<Pq TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
uDG+SdyN@ QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
+$pJ5+v FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
YB!!/ SX4 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
ia{kab|_5 GLASS POS ！正透镜玻璃类型
:$H!@n*/R G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
`F1dyf!p< GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Aka^e\Y@6* G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
Qlz Q]:dWC END ！以END结束，与GOALS呼应
RsSXhPk? >Q2). E 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)
xb^ Mo. \[ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
vA?_-. J ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
H?:Jq\Ba0 ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
qi=3L ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
<MZi< Z` END ！以END结束，与AANT呼应
$Ub}p[L GO ！启动程序
! IA KVQ TIME ！计算时间
sbla`6Fb 31X U7A 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：
*8\(FVyG^ 
{ '~sS 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：
@ >O&Cpt 
\i Z1W a! t
V6H
Dd/} Ya(Gi 4
X` ^{~
相应的局部放大镜头结构
zqGYOm$r DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
=lrN'$z?% PANT
D@ hmO]5c VLIST RD ALL
JuJ5qIal VLIST TH ALL
V\zsDP END
lIq~~cv) AANT P
r<(kLpO H% AEC
N1?
iiv ACC
T N ci.'] GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
faVS2TN4 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
ZjD2u 8e GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
^<9)"9)m_ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
hEcYpng~ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
Ihef$, ACC 10 .1 1
Mf7E72{D ACM 3 .1 1
>4'21,q ACA
n\~yX<;X3 ASC
s5.k|!K END
XI
g|G}i. SNAP 0/DAMP 1.00000
;U7t SYNOPSYS 100
zjWyGt(Q
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。 we a\8[U3"
GSEARCH输入如下： mh8nlB
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 EG1x
GSEARCH 3 QUIET LOG }rxFS
<j
DZAH" sb
SURF }2xb&6g~o
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 4H9xO[iM
END fiqj ;GW
I b(,P3
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； JOHp?3 "4
NAMES ！玻璃名称 L4mTs-M.
G G-ZF52 EEg O
G D-FK61 m2MPWy5 s
G H-ZF88 #ZwY?T
x
G H-F51 ke</x+\F
END ！以END结束 s.e y!ew
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 bl9E&B/
GO ！启动程序
)XZ,bz*jn 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
mZ &] 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
P#9-bYNU 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
WFks|D:sB 
Xa\]ua_
