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
8 BgHoQ* 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：
l=.h]]`; 图1 近红外镜头初始设计
m_pqU(sP qPI1\!z6 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：
QaYUcma~n RLE ！读取镜头
gvLzE&V} 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)
xG|T_|? FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
7Fd`M To LOG 3119 ！日志编码
!CO1I-yL WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 b!J%s APS 4 ！定义光阑面为表面4
Z2cumx( 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
]#*S. r] UNITS MM ！
透镜单位为毫米
mtunD;_Dek 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
rrL
gBeQa 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
Tb@r@j:V 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
^ }PG*h| 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
Jv+N/+M47 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
d r~6}S# 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
`\vqDWh8- 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
bh&Wy<Y 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
h]{V / 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
7yM "G $ 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
l1 ?$quM^V 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
tW)K pX 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
a?dUJt 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
V@C8HTg
4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
K\3N_ztu 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
>nqCUhS 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
W7PL]5y& 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
.4&pi 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
-\dcs? 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
g;n6hXq4 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
7XU$O$C 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
Am @o}EC 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
dvX[,*w z 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
tP0\;W 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
cKM#0dq 8 TH 16.29978150
SE7mn6,%\ 8 YMT 0.00000000 ！YMT求解在表面9上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
P]mJ01@' 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
BGOajYD END ！以END结束
#q
mv(VB4 J \%SAit@ 在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>SPEC,点击‘Enter’键。得到关于近红外镜头的一阶特性：
S8Ec.]T 
t3(~aH 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
s'4%ZE2Dr 我们希望尽可能避免红外材料ZNS和AS2S3的使用。而是通过使用普通玻璃材料对近红外镜头进行设计，新镜头也满足上述镜头的一阶特性。
-2/&i V<&^zIJUR 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
s,;7m 点击PAD图中的图标
，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
h%UM<TZ]" 
L4t( Y7 圈出四种在近红外有潜力的玻璃类型，分别为D-FK61，G-ZF52，H-ZF88，H-F51。
%5yP^BL0 
kuI$ VC gCL? {oVU 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。
D_)N!,i 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。
7zcmv"` DSEARCH输入如下： ]]^r)&pox CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
$No^\.mV TIME ！计算程序运行时间
mTU[khEmL= DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
\`oP\|Z SYSTEM ！透镜系统输入
VYw<8AEFY ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
3\ 2^LILLO OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
Y~Z&h?H'} WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
'(fzznRH UNITS MM ！透镜单位为毫米
qp{3I("_ END ！以END结束，与SYSTEM呼应
ZuNUha&a *bl|[(pP GOALS ！目标设置
,~G:>q$ad ELEMENTS 5 ！元件数为5
K
+l-A>Ic FNUM 1.428 ！F数为1.428
8Joj KH BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
C sX@u # TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
OD6d Mql STOP FIRST ！光阑面为表面1
P/,ezVb= STOP FIX ！光阑面固定
%{B4M#~ NPASS 100 ！程序
优化次数为100
Txa
2`2t7 ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
|<2<`3 RSTART 300 ！起始半径为300mm
Xk?Y TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
5h [<!f= 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)；
^ ~kf o| FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
RHu4cK!5 FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
orZwm9#]. GLASS POS ！正透镜玻璃类型
)CoJ9PO7 G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
5 D[`nU} GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
L~!Lq4]V\g G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
C
{G 647 END ！以END结束，与GOALS呼应
PnJA'@x *],= ! 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)
9/PX~ j9O? ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
*(o^w'5 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
J?/NJ-F ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
|[iEi ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
q
r F:=?`E END ！以END结束，与AANT呼应
rI'kZ0& GO ！启动程序
wpf TIME ！计算时间
}_fV v{D
FPkig`(3 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：
:Tdl84 
V>"N VRY 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：
e/Y& d9`
I 
!|-:"hE1h yHs'E4V`$
g>n1mK| ~EO=;a_
相应的局部放大镜头结构
2>vn'sXdj DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
/ rnP/X)T PANT
CA3`Ee+rD VLIST RD ALL
uiq;{!dop VLIST TH ALL
, ik\MSS END
_/5xtupxE AANT P
Qy\K oo AEC
Wl{wY,u ACC
N#8$pE GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
l-q. VY2 GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
kYu"`_n} GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
I{7Hz{ M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
t Z]b0T(e M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
_) )--+cL ACC 10 .1 1
Eo Owu-{ ACM 3 .1 1
bd yIt)tK+ ACA
\SA$:^zO ASC
r(Y@; END
q&@q /9kz SNAP 0/DAMP 1.00000
+f\r?8s SYNOPSYS 100
2KQpmNN
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。 _j?/O)M
c
GSEARCH输入如下： aZL
F sSY
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 c59l/qoz
GSEARCH 3 QUIET LOG p}
i5z_tS
!po29w:S
SURF )5l9!1j
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 NplkhgSj
END S*a_
K2ry@haN
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； pd oCV
NAMES ！玻璃名称 8EAkM*D w
G G-ZF52 ym6 gj#2m
G D-FK61 H:`[ $
^
G H-ZF88 v DVE#Nm_
G H-F51 c{cJ>d 0
END ！以END结束 "hXB_73)V
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 usO IbrQ
GO ！启动程序
^?gs<-)B 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
QVQ?a&HYS 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
KHt.g`1:R 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
y%xn(Bn 
-,} pp TG
