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
}Sm(]y 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：
}/0X'o 图1 近红外镜头初始设计
m4[ ;(1 FZ{h?#2? 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：
ttaM. RLE ！读取镜头
a=|K%ii+Y 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)
)nC]5MXU FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
7cuE7" LOG 3119 ！日志编码
5N#aXG^9 WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 NlA,'`, APS 4 ！定义光阑面为表面4
8 ` v-<J 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
NJ%P/\ C UNITS MM ！
透镜单位为毫米
-mbt4w 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
+r� 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
U45e2~1!O 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
k90 YV( 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
$H2 u.U<ip 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
WJ]T \D I 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
H9Gh>u]} 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
sbfuzpg]* 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
eFB5=)ld 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
<jBF[v9*m( 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
.y' >[ 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
v JL K,[ 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
n. }Zk G0` 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
]E{NNHK%2N 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
w$>u b@= 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
L@rcK!s,lD 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
Ml`:UrU 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
eYc$ dPE 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
x
o;QCOH 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
3h]g}&k 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
b8H{8{wi| 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
V_)-#=J 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
{% 6}' 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
{aZ0 ; 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
UklU w 8 TH 16.29978150
//B&k`u 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
}YQX~=" 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
y4yhF8E>;U END ！以END结束
L]7= ?vN=8 2 'l '8 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：
"2!&5s,1p 
*9
{PEx 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。
0^ _uV9r 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。
*YI98 `K"L / I9 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
/*~EO{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：
3qgS&js 7 
m<G,[Yc 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。
rCEyQ)R_} 
E#34Wh2z _{ue8kGt 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。
thh. A 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。
=}^9 wP DSEARCH输入如下： ;._
l 0Jw CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
1y &\5kB TIME ！计算程序运行时间
]|pe>:gf' DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
j a[Et/r SYSTEM ！透镜系统输入
$GV7o{"& ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
9yu\ Ot OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
p>,|50| WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
\<h0Q, e UNITS MM ！透镜单位为毫米
Z3e| UAif END ！以END结束，与SYSTEM呼应
*t FHM &a 2ACCh4(/P GOALS ！目标设置
_%Bi: HG0 ELEMENTS 5 ！元件数为5
1.JK3 3 FNUM 1.428 ！F数为1.428
J( TkXNm BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
OdbEq?3S/? TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
h
f)?1z4 STOP FIRST ！光阑面为表面1
t,Lrfv]) STOP FIX ！光阑面固定
G5_=H,Vmd NPASS 100 ！程序
优化次数为100
D8Ic?:iX[ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
>=lC4Tu RSTART 300 ！起始半径为300mm
lBE= (A`
TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
G't$Qx,IC 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)；
FkDmP`Od FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
YaqR[F FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
&E F!OBR GLASS POS ！正透镜玻璃类型
P:S .~Jq G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
hFUlNJ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
Kn{4;Xk\ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
\\ij(>CI END ！以END结束，与GOALS呼应
Ny 7 S /<k/7TF` 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)
0o4XUW ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
m~ABC#,2 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
j_[tu!~ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
rKc9b< Ir ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
d DMJ' END ！以END结束，与AANT呼应
3%|&I:tI GO ！启动程序
zk+9'r`-D TIME ！计算时间
,ng C v;s 2.y-48Nz 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：
QL/(72K 
J{<X 7uB 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：
xH,a=8&9 
z6P$pq yF e{H=dIa+
/s?`&1v|r I][*j
相应的局部放大镜头结构
N>1em!AS DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
e>OoyDZ@R PANT
}v{LRRi VLIST RD ALL
MchA{p&Ol VLIST TH ALL
(l qC[: END
G!##X: 6' AANT P
@1j
AEC
%2{ye
ACC
=XQ%t
@z0 GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
Rp7mh]kZ GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
Dy&i&5E.-l GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
]/6z;
~3U M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
3=[mP, pLh M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
{Xy5pfW
Q ACC 10 .1 1
J)> c9w ACM 3 .1 1
>Tx?%nQ ACA
.Hm>i ASC
v1 JzP# END
t?gic9
q SNAP 0/DAMP 1.00000
r5/0u(\LB SYNOPSYS 100
re <{
>
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 2,F .$X
GSEARCH输入如下： F(n$
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 P+sW[:
GSEARCH 3 QUIET LOG I{2hfKUe`
C )
s5 D
SURF n@i HFBb
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 r6qj7}\
END X? ',n
1
?V=ZIGj
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； o|:b ;\)b
NAMES ！玻璃名称 |df Pki{
G G-ZF52 3 hH<T.@)
G D-FK61 3d]S!=4H"
G H-ZF88 ` h\j99
G H-F51 "S]TP$O D
END ！以END结束
(ZizuHC
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 Vb_4 f"
GO ！启动程序
BU_nh+dF 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
T^KKy0ZGM 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
X_h}J=33Q 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
cI*;k.K U 
A/s?x>QA
