SYNOPSYS光學(xué)設(shè)計實例分享 作者：陸柏
)|xu5.F 近年來，SYNOPSYS從眾多
光學(xué)設(shè)計
軟件中脫穎而出，熱度越來越高。作為世界上主流的
光學(xué)設(shè)計軟件之一，除了基本功能，SYNOPSYS具有目前世界上運算速度最快的PSD優(yōu)化算法，其運算速度遠(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)計目標(biāo)，而通常獲取初始結(jié)構(gòu)的方法是通過大量計算，或者參考同類型產(chǎn)品和相關(guān)專利。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個最接近要求的初始結(jié)構(gòu)以供選擇。如果還不滿意，不妨再多花幾分鐘重新搜索一遍。
XNWtX-[ ^@ 接下來以一個經(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)化為一個實際可用的鏡頭。初期目標(biāo)是設(shè)計一個焦距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完成這個目標(biāo)。
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x2"1,1%H7 圖1.DSEARCH界面。可以在命令窗口輸入MDS打開，或者從頂部工具欄的優(yōu)化+設(shè)計搜索里的DSEARCH搜索打開
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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)會同步生成一系列的宏命令。這里可以選擇直接啟動搜索，但我建議將宏命令保存下來，因為在SYNOPSYS中宏命令十分強(qiáng)大，除了可以更快速、方便得對參數(shù)進(jìn)行修改，還能實現(xiàn)很多界面上沒有包含的功能。當(dāng)然這需要先仔細(xì)閱讀幫助手冊，但是一些常規(guī)的、基礎(chǔ)的、實用的命令，就算是對一個新手來說也是非常簡單易記的。
N7_eLhPt*8 運行DSEARCH之后，得到10個與設(shè)計目標(biāo)最接近的初始結(jié)構(gòu)，和系統(tǒng)自動生成的優(yōu)化宏�？梢钥吹�，由于搜索時設(shè)置的是8片鏡片，系統(tǒng)自動計算當(dāng)每一片鏡片分別為正
透鏡或者負(fù)透鏡時的情況，總共2^8=256種，并從中篩選出10個評價函數(shù)最小的初始結(jié)構(gòu)，而這項工作SYNOPSYS僅用了幾分鐘的時間。
$qQYxx@ 選擇其中一個初始結(jié)構(gòu)，查看它的一階特性，像差，RMS光斑，MTF，相對照度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)距離我們最終目標(biāo)還有一定的差距。在優(yōu)化宏里增加更多，更詳細(xì)精確的優(yōu)化命令，邊界條件，運行優(yōu)化宏并且使用退火這個全局優(yōu)化功能使當(dāng)前的鏡頭的評價函數(shù)值盡可能小。這通常意味著鏡頭也越來越好，但是需要注意的是，這跟我們設(shè)置的各個評價函數(shù)的權(quán)重也有關(guān)系，需要時刻關(guān)注各個參數(shù)的變化，以免鏡頭朝著一個錯誤或者極端的方向優(yōu)化。
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k8+ J7(_c 圖2.DSEARCH返回的10個初始結(jié)構(gòu)
圖3.選擇的初始結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)自動生成的優(yōu)化宏
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圖4.初始結(jié)構(gòu)的一階參數(shù)，橫向色差及畸變
圖5.全視場RMS光斑曲線
圖6.多視場衍射MTF
:}zyd; Rc 不斷地調(diào)整優(yōu)化命令和權(quán)重，運行優(yōu)化和退火，直到當(dāng)前結(jié)構(gòu)最評價函數(shù)值已經(jīng)接近極限時，我們發(fā)現(xiàn)與設(shè)計目標(biāo)仍有差距，于是在優(yōu)化宏里增加一條簡單的命令- AEI 1-自動在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在最合適的位置，增加一片讓鏡頭更好的鏡片。
圖7使用.AEI命令增加一片鏡片后的9片式結(jié)構(gòu)
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繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，過程中在優(yōu)化宏里加入了優(yōu)化MTF的命令，此時發(fā)現(xiàn)RMS光斑和MTF仍然與設(shè)計目標(biāo)有差距。于是繼續(xù)執(zhí)行AEI命令將鏡片數(shù)量加到10片。
hi1Ial\Y 圖8.鏡片數(shù)量為10片時的鏡頭結(jié)構(gòu)
>0{}tRm-P& 此時鏡頭的RMS光斑和MTF已經(jīng)接近設(shè)計要求，于是我們繼續(xù)調(diào)整權(quán)重，將鏡片的材料替換為成都光明玻璃庫里的真實玻璃，設(shè)置光闌。最終在10片球面鏡的結(jié)構(gòu)下，達(dá)成了設(shè)計目標(biāo)。
dgkS5Q$/ 圖9.最終鏡頭結(jié)構(gòu)
g %f5hy 圖10.最終RMS光斑曲線
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