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
" (yw(/ 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：
\;0UP+
图1 近红外镜头初始设计
s}?Q A cC 0>yu B gh 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：
i .''\ RLE ！读取镜头
CP J%<+4%b 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)
_FzAf5DO FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
4#ZZw a]y LOG 3119 ！日志编码
8i^d*:R WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 s$xm APS 4 ！定义光阑面为表面4
?{r -z3@ N NOVIG ！关闭渐晕选项。只删除因
光线追迹失败的光线，不删除因违反通光孔径和边缘羽化的光线
Nx<fj=VJ UNITS MM ！
透镜单位为毫米
,R=)^Gh { OBB 0.000000 7.0000000 17.5000000 -1.0531131997458 0.0000000 0.0000000 17.5000000 ！无限远物体,半视 场角为7°,半孔径为17.5mm
0 AIR ！物面处于空气中
b E b+oRI 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
dQI6.$? 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
zRgl`zRE r 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
du&9mOrr 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
3e1^r_YI 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
BCt>P?,UO 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
[q~3$mjQ 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
gNSs T]) 3 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃材料ZNS的三个波长折射率被精确指出
)pw53,7>aN 3 DNDT -1.202E-04 -1.133E-04 -1.080E-04 4.04600E-01 4.86133E-01 6.56273E-01 ！ZNS材料的折射率温度系数
p;) @R$* 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
]Mj N)%hT 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
TTo5"r9I 8 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
Te H_DVxj 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
$Fv|w9 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
Zi. w+V 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
C0;:")6~ 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
%[fZ@!B 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
0|F QIhVuY 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
6bUcrw/#
p 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
+{cCKRm 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
sLW e \o 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
DhT8Kh{ 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
RT"JAJTi/ 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
Q=#Wk$1. 8 TH 16.29978150
+kT
o$_Wkz 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
r_3=+ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
x_#'6H\1ga END ！以END结束
%R?#Y1Tq; zJG=9C ? 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：
CwsC)]{/o K<f B]44Y
8:jakOeT Zmy:Etqi 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。
,pa=OF 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。
IvM>z 03 n(jrK9] 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
;% 4N@Z 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：
"@rXN "4 }N@+bNh~
E 7"`D\* 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。
^Dys#^ 7z3YzQ=Kg
Ui }%T] 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。
Kj* $'(' 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。
-{eI6#z|\A DSEARCH输入如下： _+.
)8
CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
%Sw hNn TIME ！计算程序运行时间
`yrJ }f DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
k4YW;6<C+ SYSTEM ！透镜系统输入
n4/Jx* ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
I|)U>bV 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
^q/_D%]C WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
A(wuRXnVWK UNITS MM ！透镜单位为毫米
F^X:5g~K
END ！以END结束，与SYSTEM呼应
)%~<EJ*&Z y\< \P8X
GOALS ！目标设置
6G<gA>V ELEMENTS 5 ！元件数为5
io*iA<@Gx FNUM 1.428 ！F数为1.428
=yLJGNK[ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
$Zf]1?|xa TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
'<&rMn STOP FIRST ！光阑面为表面1
wQN/MYF[ STOP FIX ！光阑面固定
cGS7s 8 U NPASS 100 ！程序
优化次数为100
>jpk R ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
z460a[Wl RSTART 300 ！起始半径为300mm
^-26K|{3 TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
tQcn%C K 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)；
X> ck.}F FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
]McDN [h: FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Y k
yB GLASS POS ！正透镜玻璃类型
\mDBOC0eK G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
swG!O}29OX GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
YCo qe,5 G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
S3> <zGYk END ！以END结束，与GOALS呼应
+cC$4t0$^A 9M1 UkS$`@ SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
.@3bz
ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
:U/ x ( ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
tz/NR/[ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
#iP5@:!Wm~ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
yo_;j@BGR END ！以END结束，与AANT呼应
3nX={72<b GO ！启动程序
xc_-1u4a9 TIME ！计算时间
? 7R&=B1g cUc:^wvLS 在PAD图中显示最好的五片式镜头结构，评价函数最低，如图2所示：
"i~~Q'=7 e\' =#Hw
图2 DSEARCH为近红外镜头设计返回的最佳结构
DSEARCH生成的十种最佳配置镜头结构如下：
ZoroK.N4A% ~?uch8H
_vr;cjMI
7r wNjY#
NLF6O9
相应的局部放大镜头结构
's 'H&sa DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
3Tz~DdB PANT
n_@cjO VLIST RD ALL
s:Io5C( VLIST TH ALL
n$y@a? al END
QW_W5|_ AANT P
-9^A,vX AEC
Ygfv? ACC
@&GfC g5Cb GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
MNd[Xzm GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
wv&#lM ( GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
Eg 8rgiU M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
OmAa$L,'w M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
lbiMB~rwI ACC 10 .1 1
qfsu# R ACM 3 .1 1
w}r~Wk^dLI ACA
n0tVAH'> ASC
A,]%*kg2 END
Z$: iq SNAP 0/DAMP 1.00000
GNab\M. SYNOPSYS 100
T9&bY>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。 JFh_3r'
GSEARCH输入如下： <^fvTb &*
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 f'%Pkk
GSEARCH 3 QUIET LOG ^>m"j6`h,
ZCz#B2Sf8
SURF &M*f4PeXb
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 B:=VMX~GE
END ~dlpoT
.ly K
,p
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； =Bw2{]w
NAMES ！玻璃名称 L1YiXJ,T,
G G-ZF52 klSA Y
G D-FK61 ?"L ^ 0%
G H-ZF88 *g!7PzJ'
G H-F51 )l[bu6bM
END ！以END结束 5Za%EaW%G
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 V3q[ #.o
GO ！启动程序
l{4rKqtX 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
wi@Qf6(mn 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
OO*2>Qy~z 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
a+P Vi
B`wrr8"Rz
