SYNOPSYS光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例分享 作者：陸柏
=b32E^z, 近年來(lái)，SYNOPSYS從眾多
光學(xué)設(shè)計(jì)
軟件中脫穎而出，熱度越來(lái)越高。作為世界上主流的
光學(xué)設(shè)計(jì)軟件之一，除了基本功能，SYNOPSYS具有目前世界上運(yùn)算速度最快的PSD優(yōu)化算法，其運(yùn)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的阻尼最小二乘法。其次，在光學(xué)設(shè)計(jì)中，好的初始結(jié)構(gòu)往往能讓我們更快更高效的達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)，而通常獲取初始結(jié)構(gòu)的方法是通過(guò)大量計(jì)算，或者參考同類(lèi)型產(chǎn)品和相關(guān)專(zhuān)利。但在SYNOPSYS中，使用DSEARCH（定焦結(jié)構(gòu)搜索）和ZSEARCH（變焦結(jié)構(gòu)搜索）功能，只需要輸入設(shè)計(jì)目標(biāo)
參數(shù)，
系統(tǒng)在幾分鐘之內(nèi)就可以給出多達(dá)10個(gè)最接近要求的初始結(jié)構(gòu)以供選擇。如果還不滿(mǎn)意，不妨再多花幾分鐘重新搜索一遍。
L;nRI. 接下來(lái)以一個(gè)經(jīng)典的定焦攝影
鏡頭為例，感受一下SYNOPSYS如何快速得將我們的想法轉(zhuǎn)化為一個(gè)實(shí)際可用的鏡頭。初期目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)焦距50mm，F(xiàn)NUM 1.8的照相鏡頭，目前市面上大部分都是采用6-7片式的結(jié)構(gòu)，但是其中都加入了非球面。這里嘗試僅使用球面鏡片來(lái)完成這個(gè)目標(biāo)。
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w 圖1.DSEARCH界面�？梢栽诿畲翱谳斎隡DS打開(kāi)，或者從頂部工具欄的優(yōu)化+設(shè)計(jì)搜索里的DSEARCH搜索打開(kāi)
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首先在SYNOPSYS的DSEARCH界面按照要求輸入系統(tǒng)參數(shù)，目標(biāo)參數(shù)，特殊
優(yōu)化目標(biāo)和迭代次數(shù)，系統(tǒng)會(huì)同步生成一系列的宏命令。這里可以選擇直接啟動(dòng)搜索，但我建議將宏命令保存下來(lái)，因?yàn)樵赟YNOPSYS中宏命令十分強(qiáng)大，除了可以更快速、方便得對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，還能實(shí)現(xiàn)很多界面上沒(méi)有包含的功能。當(dāng)然這需要先仔細(xì)閱讀幫助手冊(cè)，但是一些常規(guī)的、基礎(chǔ)的、實(shí)用的命令，就算是對(duì)一個(gè)新手來(lái)說(shuō)也是非常簡(jiǎn)單易記的。
_XXK1H x 運(yùn)行DSEARCH之后，得到10個(gè)與設(shè)計(jì)目標(biāo)最接近的初始結(jié)構(gòu)，和系統(tǒng)自動(dòng)生成的優(yōu)化宏�？梢钥吹剑捎谒阉鲿r(shí)設(shè)置的是8片鏡片，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)每一片鏡片分別為正
透鏡或者負(fù)透鏡時(shí)的情況，總共2^8=256種，并從中篩選出10個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)最小的初始結(jié)構(gòu)，而這項(xiàng)工作SYNOPSYS僅用了幾分鐘的時(shí)間。
7 t5X 選擇其中一個(gè)初始結(jié)構(gòu)，查看它的一階特性，像差，RMS光斑，MTF，相對(duì)照度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)距離我們最終目標(biāo)還有一定的差距。在優(yōu)化宏里增加更多，更詳細(xì)精確的優(yōu)化命令，邊界條件，運(yùn)行優(yōu)化宏并且使用退火這個(gè)全局優(yōu)化功能使當(dāng)前的鏡頭的評(píng)價(jià)函數(shù)值盡可能小。這通常意味著鏡頭也越來(lái)越好，但是需要注意的是，這跟我們?cè)O(shè)置的各個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)的權(quán)重也有關(guān)系，需要時(shí)刻關(guān)注各個(gè)參數(shù)的變化，以免鏡頭朝著一個(gè)錯(cuò)誤或者極端的方向優(yōu)化。
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jCW>=1:JGY 圖2.DSEARCH返回的10個(gè)初始結(jié)構(gòu)
圖3.選擇的初始結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)自動(dòng)生成的優(yōu)化宏
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圖4.初始結(jié)構(gòu)的一階參數(shù)，橫向色差及畸變
圖5.全視場(chǎng)RMS光斑曲線(xiàn)
圖6.多視場(chǎng)衍射MTF
=t@m: 不斷地調(diào)整優(yōu)化命令和權(quán)重，運(yùn)行優(yōu)化和退火，直到當(dāng)前結(jié)構(gòu)最評(píng)價(jià)函數(shù)值已經(jīng)接近極限時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)仍有差距，于是在優(yōu)化宏里增加一條簡(jiǎn)單的命令- AEI 1-自動(dòng)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在最合適的位置，增加一片讓鏡頭更好的鏡片。
圖7使用.AEI命令增加一片鏡片后的9片式結(jié)構(gòu)
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繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，過(guò)程中在優(yōu)化宏里加入了優(yōu)化MTF的命令，此時(shí)發(fā)現(xiàn)RMS光斑和MTF仍然與設(shè)計(jì)目標(biāo)有差距。于是繼續(xù)執(zhí)行AEI命令將鏡片數(shù)量加到10片。
[2 2IF 圖8.鏡片數(shù)量為10片時(shí)的鏡頭結(jié)構(gòu)
2-llT 此時(shí)鏡頭的RMS光斑和MTF已經(jīng)接近設(shè)計(jì)要求，于是我們繼續(xù)調(diào)整權(quán)重，將鏡片的材料替換為成都光明玻璃庫(kù)里的真實(shí)玻璃，設(shè)置光闌。最終在10片球面鏡的結(jié)構(gòu)下，達(dá)成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
(m) %5*: 圖9.最終鏡頭結(jié)構(gòu)
eN/s W!:P| 圖10.最終RMS光斑曲線(xiàn)
X]cB `?vR M42Zpb]. 圖11.最終衍射MTF曲線(xiàn)
P)1@HDN== ||`w MWq 在極短的時(shí)間內(nèi)，將一個(gè)想法轉(zhuǎn)換為了一個(gè)
成像質(zhì)量非常高的鏡頭，我們只需要清楚我們的目標(biāo)，修改優(yōu)化宏，調(diào)整權(quán)重，其他的交給SYNOPSYS。除了優(yōu)化速度快，初始結(jié)構(gòu)易獲取，自動(dòng)增刪元件等功能，SYNOPSYS中還有比如自動(dòng)尋找非球面、衍射面，自動(dòng)搜索最佳的玻璃組合，自動(dòng)輸出變焦鏡頭的凸輪曲線(xiàn)等等高效且實(shí)用的功能待我們探索。
