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
5\+EHW!o 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：
09x+Tko9;*
图1 近红外镜头初始设计
q V?sg |<QI%Y$dr 接着，我们检查该近红外镜头的设计
参数，仅在CW窗口中输入：SYNOPSYS AI>LE,点击‘Enter’键即可。近红外镜头代码如下：
I W8. RLE ！读取镜头
Ix4 jof6( ID MIT 1 TO 2 UM LENS 3119 ！镜头标识(ID MIT 1 TO 2 UM LENS)和日志编码(3119)
6o9sR)c
? FNAME '1.RLE ' ！指定文件名为1.RLE
}RDb 1~6C LOG 3119 ！日志编码
Dwk$CJb3- WAVL 1.970100 1.529600 1.060000 ！定义三个近红外
波长 <q1'Li)_R APS 4 ！定义光阑面为表面4
~e+0c'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
-Cml0}.O UNITS MM ！
透镜单位为毫米
){ jqfkL 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
J,`_,T 1 RAD 86.7200000000000 TH 4.00000000 ！表面1的半径，厚度
kYTOldfY2 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
WkcH 5[ 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
Flne=ij6g 1 CTE 0.650000E-05 ！玻璃材料ZNS的热膨胀系数
->Q`'@'|P 1 GTB U 'ZNS ' ! 玻璃类型为ZNS，U-Unusual玻璃库
t0I>5#*WU 2 RAD 256.1600000000000 TH 1.90921550 AIR ！表面2在空气中的半径，厚度
6HB]T)n 3 RAD 23.3200000000000 TH 7.64871430 ！表面3的半径，厚度
sOjF?bCdO 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
s|BX> 1 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
D'85VZEFyo 3 CTE 0.650000E-05 ！ZNS材料的热膨胀系数
3[iSF5%V*p 3 GID 'ZNS ' ！表面3的玻璃类型为ZNS
D@}S t :m} 3 PIN 1 ！表面3拾取表面1的折射率
n8
G F8a 4 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR ！表面4在空气中的半径，厚度
a$laRtId7 5 RAD 50.8000000000000 TH 3.00000000 ！表面5的半径，厚度
e%'z=%( 5 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.46973264 ！玻璃类型为AS2S3的三个波长折射率
$]Rl__; 5 GTB U 'AS2S3 ' ！玻璃类型为AS2S3，U-玻璃库Unusual
j a L$LJV 6 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR ！表面6在空气中的半径，厚度
J]$er0`LY 7 RAD 27.1400000000000 TH 3.50000000 ！表面7的半径，厚度
p9k4w%
~: 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
%
i %ew4 7 CTE 0.650000E-05 ！玻璃类型ZNS的热膨胀系数
, uKs>T^ 7 GID 'ZNS ' ！玻璃类型为ZNS
tru;;.lj8K 7 PIN 1 ！表面7拾取表面1的折射率
D8q3TyCj% 8 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR ！表面8在空气中的半径和厚度
zZ<ns+ h 8 TH 16.29978150
?' TA!MR 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
XX*'N+ 9 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ！表面9的曲率，厚度
<[/PyNYK END ！以END结束
$hyqYp"/; -qs(2^ 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：
r94j+$7 Dl>* L
T-hU+(+hg d'x<- l9 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。
9"[!EKW 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。
v&k>0lV, ^ o(?VX`2" 关键问题是：如何选择用于近红外波段的普通玻璃类型呢？
rSM $E 点击PAD图中的图标 ，选择玻璃表‘Guangming’，然后点击‘Graph’按钮，并选择下图中的选项：
u-8X$aJ v; je <DT
L`<T'3G 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。
*(@L+D0N }R 7sj
+3NlkN# 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。
dM$N1DB{U+ 为什么要这么做呢？原因是：如果在DSEARCH中无指定玻璃类型，那么透镜都被赋予一个玻璃模型（该玻璃模型用于可见光系统）。而对于红外系统，透镜将被赋予指定玻璃类型的其中之一。
h9tB''eP E DSEARCH输入如下：
"$`wk CORE 4 ！核心数为4，DSEARCH支持多核并行计算
D{ Hh#x8Y TIME ！计算程序运行时间
?7fQ1/emhO DSEARCH 3 QUIET ！最好透镜保存在透镜库位置3，并显示在PAD图中
SJ1w1^#Pz SYSTEM ！透镜系统输入
(#!(Q)
] ID NIR EXAMPLE ！镜头标识
Z?!JV_K 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
^4y(pcD WAVL 1.97 1.53 1.06 ！定义三个近红外波长
j;ff } b UNITS MM ！透镜单位为毫米
<^H1)=tlF END ！以END结束，与SYSTEM呼应
q[PD s_S<gR GOALS ！目标设置
{^PO3I
ELEMENTS 5 ！元件数为5
A^}i^ FNUM 1.428 ！F数为1.428
0A)
Vtj$ BACK 16 .1 ！后焦距为16mm，权重为0.1
&4w\6 IR TOTL 50 .1 ！系统总长为50mm，权重为0.1
Verbmeg&n STOP FIRST ！光阑面为表面1
m;;0 Cl STOP FIX ！光阑面固定
aF; ]7i@ NPASS 100 ！程序
优化次数为100
` <l/GwtAJ ANNEAL 200 20 100 ！
模拟退火，200-起始温度，20-冷却速率，100-优化次数
icKg7-$N RSTART 300 ！起始半径为300mm
T% /xti5$! TSTART 1 ！每个元件起始厚度为1mm
aB$y+`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)；
>!HfH(is\ FOV 0 .5 1 ！0视场、0.5视场、全视场
PK:o}IWn~x FWT 2 1 1 ！相应的视场权重
n G4U k2> GLASS POS ！正透镜玻璃类型
0 %GqCg G D-FK61 ！玻璃类型为D-FK61
vF*^xhh GLASS NEG ！负透镜玻璃类型
$UFge%`,q@ G H-ZF88 ！玻璃类型为H-ZF88
kT Z?+hx END ！以END结束，与GOALS呼应
y V 9]_k yr/]xc$ 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)
7yqSt)/ U ACC 10 .1 1 ！控制元件中心厚度不超过10mm，权重0.1，窗口1；
AF9[2AH=Y ACM 3 .1 1 ！控制中心厚度不小于3mm，防止元件厚度太薄；
4 ~MJ4: ACA ！自动控制临界角，防止光线超过临界角，导致光线失败
\-$b o= s. ASC ！自动控制所有镜头的倾斜度
E3FW*UNg[y END ！以END结束，与AANT呼应
&;~2sEo, GO ！启动程序
Q`@$j,v TIME ！计算时间
<WQ<<s@#pb !]{ 1h
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：
YJ$Vn >6Z L 5V'Sr
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：
h X>VVeIZ B"?+5A7
5v Uz
Q+u#?[ '
@ dWS*@
相应的局部放大镜头结构
(dLE<\E DSEARCH生成一个自动优化宏DSEARCH_OPT，将其改成NIR.OPT。
tn:/pP ap PANT
!yV,|)y5F VLIST RD ALL
sT[a v VLIST TH ALL
r {/ G\ END
}ZM*[ j AANT P
'Ec:l(2Ec AEC
7T|J[W O ACC
0]h8)EW GSR 0.000000 2.000000 4 M 0.000000
OUI Ugej GNR 0.000000 1.000000 4 M 0.500000
(g iTp@Tp GNR 0.000000 1.000000 4 M 1.000000
s>*Q M 0.160000E+02 0.100000E+00 A BACK
1{hoO<CJ M 0.500000E+02 0.100000E+00 A TOTL
&k_wqV ACC 10 .1 1
iXG>j.w{79 ACM 3 .1 1
mD ^qx0o< ACA
MW",r;l<aM ASC
iX>!ju'V END
:cmI "Bo SNAP 0/DAMP 1.00000
qUDz(bFk/ SYNOPSYS 100
$_URXI
接下来，使用GSEARCH功能自动决定哪些玻璃类型应该放在哪些透镜上。 .j:.WnW
GSEARCH输入如下： V&4:nIS>z
CORE 4 ！核心数为4，GSEARCH支持多核并行计算 evg 7d
GSEARCH 3 QUIET LOG )v!lP pe8
mSk :7ozZ
SURF o
{Xw Li
1 3 5 7 9 ！ 将玻璃分配到表面1，表面3，表面5，表面7和表面9 |U#w?eE=
END &JXHDpd$a^
C#**)
OFILE 'NIR.OPT.MAC' ！打开文件‘NIR.OPT.MAC’,文件类型必须为‘.MAC’； <igx [2X
NAMES ！玻璃名称 Rbj+P;t&
G G-ZF52 M::IE|h
G D-FK61 4xAlaOw5M
G H-ZF88 +/b4@B7
G H-F51 ?`l=!>C4s
END ！以END结束 "{ry 9?z
USE 2 ！至少使用两种不同的玻璃类型 $*v 20
GO ！启动程序
s68_ o[[E 运行GSEARCH命令后，近红外镜头结构得到改善，如图3所示：
WRcF E< 图3 GSEARCH反馈回的近红外镜头结构
Zs5I?R1e8 在CW中输入指令SPEC，得到近红外镜头的特性：
uuUVE/^V' O[hbu 
