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
L0GQH;Y,h 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：
?Ygd|a5 图1 近红外镜头初始设计
=%c\<<]aV +'nMy"j1 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：
TPak,h(1 RLE ！读取镜头
0%4OmLBT 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)
=|8hG*D8 FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
`#vbV /sM LOG 3119 ！日志编码
ga( k2Q;y WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 8@RtL,[d APS 4 ！定义光阑面为表面4
> >KCd 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
_uXb>V*8 UNITS MM ！
透镜单位为毫米
e `OQ6|.k8 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
kX8NRPW 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
d ez4g 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
=%7s0l3z 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
P,9Pn)M| 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
S>S7\b' 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
'2Zv K 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
y%spI/( 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
L"n)fe$ 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
;_2+Y^Qb 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
) nFyHAy- 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
z^z`{B 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
I~&9c/& 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
_(I6o 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
Hmt2~>FI[ 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
Bv' %$}}- 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
ODhq
`? (N 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
#V%98| " 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
y@I t#!u0 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
>]~|Nf/i 7 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.28824184 ！玻璃类型ZNS的三个波长折射率被精确指出
-
l^3>!MAM 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
2# r4dr0 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
,i sjiy
J 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
Da d$_% 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
a @d 15CN 8 TH 16.29978150
>#k-
~|w 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
[uLs M<C 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
}m~MN4 l END ！以END结束
f-71`Pyb l`i97P?/W 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：
e}S+1G6r) 
K,$rG%c zX 由图可知，半通光孔径为17.5mm，半视场角为7°，后
焦距约16.3mm，元件总长约50mm，F数为1.4286。
" aCAA#$J 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。
H;l _; c` d Rnf 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
Dfa3&# #{ 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：
]z/R?SM 
_#s,$K# 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。
kFV, Fg 
\6JOBR y!.jpF'uI 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。
m<#12#D 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。
{G VA4=UAE DSEARCH输入如下： $2L6:& .P, CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
,3y9yJQa*# TIME ！计算程序运行时间
``Q6R2[|) DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
DQm%=ON7 SYSTEM ！透镜系统输入
<.B+&3') ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
7K:V<v X5 OBB 0 7 17.5 ！定义物体类型，无限远物体，半视场角7°，半孔径17.5mm
OmO#} k< WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
v|o{AL:ei UNITS MM ！透镜单位为毫米
Cul=,;pkB END ！以END结束，与SYSTEM呼应
u0 t lf f$ xp74hw3 GOALS ！目标设置
5$D "uAp<V ELEMENTS 5 ！元件数为5
4 ]ni-u0* FNUM 1.428 ！F数为1.428
rUj\F9*5# BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
q1( [mHZ TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
EZ]4cd/i STOP FIRST ！光阑面为表面1
AXW.`~ 4 STOP FIX ！光阑面固定
O 'mcN* NPASS 100 ！程序
优化次数为100
bYnq,JRA ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
,T<JNd' RSTART 300 ！起始半径为300mm
c{BAQZVc TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
;*M@LP{*L QUICK 50 90 ！启用快速模式；迭代50次执行快速搜索，然后使用90次迭代执行基于光线的优化阶段 (此过程忽略NPASS设置)；
y] m:
{ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
DfD
>hf/ FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
Y(.e e%;, GLASS POS ！正透镜玻璃类型
VTM* 1uXS> G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
.qO4ceW2-~ GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
c R/Nl pX G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
V0>X2&.A END ！以END结束，与GOALS呼应
d?2ORr|m= o8 JOpD SPECIAL AANT ！特殊像差控制；系统默认自动控制边缘厚度(AEC)和控制中心厚度(ACC)
5M0Q '"`F: ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
gHrs|6q9 ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
>+P}S@ ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
gwRB6m$ ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
30! DraW8 END ！以END结束，与AANT呼应
=cS&> MT GO ！启动程序
fY[Fwjj3 TIME ！计算时间
Z~~6y6p G?1GkR 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：
L7-BuW}& 
si]VM_w6 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：
z'EQdQ) 
E1eGZ&&Gd AafS 6]y
S\g9 @g. Z8 # nu
相应的局部放大镜头结构
q k2E> DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
Q[biy{(b8 PANT
Jr2yn{s=S VLIST RD ALL
l Fnls6dp VLIST TH ALL
ub-3/ T END
SIJ7 Y{\. AANT P
[iub}e0 AEC
aDF@A S ACC
'f\9' v GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
4>*=q*<V5E GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
yV(#z2| GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
}=[p>3Dd M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
s6,~J F^ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
*#T:
_ ACC 10 .1 1
dLiiJ6pl* ACM 3 .1 1
-tj#BEC[H( ACA
|nefg0`rk ASC
i 1vz{Tc END
WHdM P SNAP 0/DAMP 1.00000
!kov rvM6F SYNOPSYS 100
>G6kF!V
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。 Z<nNk.G
GSEARCH输入如下： J:@gmo`M;V
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 ^wIB; !W
GSEARCH 3 QUIET LOG <=M 5)#
8; @y\0
SURF =!'9TS
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 JbPk C *.
END l=CAr
4YfM.~
6
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； |OH*c3~r
NAMES ！玻璃名称 &=g3J4$z
G G-ZF52 c R Lw)"|
G D-FK61 B$ eM
G H-ZF88 wQ+pVu?6_
G H-F51 .-Lrrk)R+
END ！以END结束 uy { O
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 [bhKL 5l
GO ！启动程序
4 / _jrZO 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
]-\68b N 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
hVz yvpw 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
YSP\+ZZ 
ZmsYRk~@-
