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
x>5#@SX
J 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：
9Dd/ g7 图1 近红外镜头初始设计
m%q#x8Fp udg;jR-^ 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：
jHB,r^ :' RLE ！读取镜头
<?Fgm1=o 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)
< 4*7HY[ FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
hGF:D#jyT LOG 3119 ！日志编码
Lm'Ony^F WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 1O9V Ej5 APS 4 ！定义光阑面为表面4
0_Etm83Wq6 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
T:wd3^.CG UNITS MM ！
透镜单位为毫米
?
Z8 _(e0U 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
Kd;|Z 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Q= ~e| 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
LPT5d 7K@ 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
$K \\ 8$Z 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
_}`iLA!$I 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
R^dAwt`.D 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
rM pb 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
`-Gs*# (/ 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
^l _W9s 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
yXrFH@3 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
s<z { (a 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
|!I# T 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
`EU=u_N 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
S! ,.#e (Y 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
\8F e56 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
ctdV4%^{ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
j4H,*fc 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
8!me$k & 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
sP5PYNspA 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
}RDhI1x[mk 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
|; {w y 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
lGjmw"/C 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
athU 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
bbiDY 8 TH 16.29978150
GIo&zPx 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
vYmRW-1Zxq 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
GR O[&;d` END ！以END结束
&bs/a] ?Z7 zWB>;Z} 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：
0l^-[jK) 
&c ayhL/% 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。
e}kEh+4 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。
IR(JBB|xNQ "J%u
!~ 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
`EBo(^n}O 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：
(tx6U.Oy 
hUB _[#8# 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。
7DKbuUK 
:s$ rD l> 7`D3 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。
"l n(EvW 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。
@aY 8VL7C0 DSEARCH输入如下： O|?> rK CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
vkASp&a TIME ！计算程序运行时间
f77Jn^Dt DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
B Lw ssr. SYSTEM ！透镜系统输入
: )cPc7$8 ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
<8+.v6DCd OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
V
;1$FNR
WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
+ Q}Y ?([ UNITS MM ！透镜单位为毫米
(.m0hN!~u END ！以END结束，与SYSTEM呼应
*s S7^OZ* *Jmy:C<> GOALS ！目标设置
R4]t D| ELEMENTS 5 ！元件数为5
z6ArSLlZ FNUM 1.428 ！F数为1.428
|.)oV;9 BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
2"c $#N TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
3!,XR\`[ STOP FIRST ！光阑面为表面1
3/@7$ nV STOP FIX ！光阑面固定
t(/e~w NPASS 100 ！程序
优化次数为100
MHpPb{ ^ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
*y='0)[BD RSTART 300 ！起始半径为300mm
#K"jtAm TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
w(eAmN:zR 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)；
ZXFM_>y 5 FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
)d2 < ;c FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
gieT kZ GLASS POS ！正透镜玻璃类型
Og Y 4J|< G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
cX>
a>U GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
V ;
Yl:* G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
9.!6wd4mw END ！以END结束，与GOALS呼应
_b&Mrd nz3j";d 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)
}f +If{ ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
| -e* ^| ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
&<_*yl p ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
m$ NBG w ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
|ITp$ _S END ！以END结束，与AANT呼应
p& > *bF, GO ！启动程序
hJ ( Q^Z TIME ！计算时间
N&]v\MjI62 ug.mY= n ' 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：
E!8FZv8 
E5~HH($b 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：
JN .\{ Y 
0 k@4;BY u m .iCGX
h q6B
pE AE={P*g
相应的局部放大镜头结构
%[u6< DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
2 E33m*C2 PANT
& Gp@,t VLIST RD ALL
Z3g6 ?2w6 VLIST TH ALL
*p`0dvXG 2 END
AjKP -[ AANT P
HgvgO\`] AEC
Wb+ ^Ue ACC
Uq5 wN05 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
`KqMcAW GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
K_{f6c < GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
w,bILv) M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
peCmb)>Sa M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
%<lfe<;^t ACC 10 .1 1
7g[m,48{ ACM 3 .1 1
4EQ7 OGU ACA
X 6kB
R ASC
Q&]
}`Rp= END
1L]7*NJe SNAP 0/DAMP 1.00000
Z.a m^Q^Y! SYNOPSYS 100
IfzHe8>
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。 g0v},n
GSEARCH输入如下： !
E` Tt[
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 x%23oPM
GSEARCH 3 QUIET LOG Fq! 12/Nn
l+Dl~o }
SURF a*REx_gLG
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 M lgE-Lm
END S~d_SU~>`
BF@(`D&>
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； f #_ XR
NAMES ！玻璃名称 t
j&+HC
G G-ZF52 R $HI JM
G D-FK61 a\S"d
G H-ZF88 ,Dfq%~:grT
G H-F51 `au('
xi<
END ！以END结束 X&o!xV -+
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 { Z 3t0F
GO ！启动程序
)A:2y + 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
W{O:j 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
VgtW T`F.I 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
rUEoz |e4a 
34-QgE
