本系列共三篇文章，旨在介紹如何使用 SYNOPSYS 的界面進行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設計透鏡的基本過程，包括構(gòu)建系統(tǒng)(第一部分)、分析其性能(第二部分)，以及根據(jù)所需的指標和設計約束對其進行優(yōu)化(第三部分)。
點擊文末【閱讀原文】獲取附件
簡介
這是由三篇文章組成的系列文章的第三部分。介紹了優(yōu)化的基本概念，演示了如何將參數(shù)設置為變量，展示了如何使用評價函數(shù)向?qū)碓u估設計的質(zhì)量，并解釋了如何執(zhí)行優(yōu)化本身。最后，本文對最終的系統(tǒng)性能進行了評估。
首先在系統(tǒng)參數(shù)中定義系統(tǒng)單位、鏡頭表面的數(shù)量以及鏡頭的名稱。SYNOPSYS 的鏡頭單位有四種選擇:英寸、毫米、厘米或米。就本設計而言，將使用毫米。對焦模式和光線追跡模式也可以在系統(tǒng)參數(shù)中設置。
在第一部分中，討論了在 SYNOPSYS 中如何建立單透鏡的三種方法。在第二部分中，討論了一些可用于評估系統(tǒng)性能的分析。
設置變量和搭建默認評價函數(shù)
單透鏡的性能當然是受限的，但是 SYNOPSYS 仍然可以找到比目前更好的解。在此過程中，確定當前設計具有多少自由度是很重要的。
為了允許 SYNOPSYS 在優(yōu)化過程中將參數(shù)視為自由度，必須將參數(shù)設置成變量。您可以通過單擊軟件上方快捷鍵優(yōu)化+設計搜索，選擇優(yōu)化，在步驟1、選項1中設置參數(shù)變量。在優(yōu)化窗口右側(cè)，同步出現(xiàn)優(yōu)化宏命令，就代表參數(shù)變量已經(jīng)設置完成。打開附件中的“001.RLE”文件，運行宏文件后對其鏡頭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設置變量的結(jié)果如下圖所示：
一旦設置好變量，現(xiàn)在就可以構(gòu)造默認的評價函數(shù)。通過點擊：優(yōu)化>步驟2、選項1，設置預定的評價函數(shù)。
評價函數(shù) (Merit Function) 是光學系統(tǒng)與指定目標的接近程度的數(shù)值表示。在優(yōu)化宏中，SYNOPSYS 使用宏命令操作，這些操作命令分別代表系統(tǒng)的不同約束或目標。當優(yōu)化宏文件構(gòu)建好后， SYNOPSYS 中的優(yōu)化算法會嘗試使評價函數(shù)的值盡可能小。
雖然您可以自己構(gòu)建評價函數(shù)，但是讓 SYNOPSYS 為您構(gòu)建評價函數(shù)更加容易。默認的評價函數(shù)可以通過從優(yōu)化選擇步驟2中選項1：預定的評價函數(shù)來構(gòu)建。構(gòu)建的結(jié)果如下圖所示：
選擇此選項后，將出現(xiàn)各種評價函數(shù)，可以從中選擇各種選項來定義默認的評價函數(shù)。
為了防止單透鏡變得太厚或太薄，對該透鏡的厚度設置邊界約束是很重要的。在優(yōu)化宏窗口中，可以在特殊變量部分設置玻璃和空氣厚度的邊界約束。通過“LLL”指令、“LUL”指令、“AEC”指令和“ACC”指令，可以將最小、最大和邊緣厚度值手動輸入到適當?shù)臈l目中。如系統(tǒng)要求所述，單透鏡中心厚度應不大于12 mm，不小于2 mm，邊緣厚度應大于2 mm。在優(yōu)化宏窗口中輸入對應的指令，以獲取最小、最大和邊緣玻璃厚度條目。
由于是練習，所有其它參數(shù)都可以保留為默認值。下圖是對透鏡的厚度邊界約束的結(jié)果：
執(zhí)行優(yōu)化
現(xiàn)在您將注意到，選擇的評價函數(shù)已經(jīng)自動轉(zhuǎn)換成了相應的命令行。每個命令都有一個特定的目標、權(quán)重。下圖是優(yōu)化的宏文件：
在優(yōu)化過程中，SYNOPSYS 降低這個評價函數(shù)值，這意味著使設計更接近優(yōu)化宏中描述的目標。要優(yōu)化系統(tǒng)，請選擇啟動優(yōu)化>立即優(yōu)化。SYNOPSYS 運行優(yōu)化程序，直到它找到局部最小值，作為目前評價函數(shù)的解。
點擊創(chuàng)建一個宏，可以將優(yōu)化宏進行保存，方便以后調(diào)用。打開附件中的優(yōu)化文件“002.MAC”，下圖是優(yōu)化的宏文件：
注意，SYNOPSYS 中 PAD 圖下方的評價函數(shù)值的變化。按下運行按鈕運行優(yōu)化，注意評價函數(shù)值的變化：
評估最終的系統(tǒng)性能
現(xiàn)在優(yōu)化過程已經(jīng)完成，可以評估最終的設計性能，并確保滿足所有初始設計約束。光線像差如下圖所示：
光程差如下圖所示：
點列圖如下圖所示：
最終，SYNOPSYS 在初始系統(tǒng)需求中給出的約束條件下，對單透鏡進行了優(yōu)化。同樣重要的是，SYNOPSYS 為鏡頭選擇的厚度在預期范圍內(nèi)，邊緣厚度大于2毫米，每一個都滿足最初的系統(tǒng)需求。雖然單透鏡的性能沒有達到衍射極限，但設計的過程可以應用于更復雜的光學系統(tǒng)！
結(jié)論
本系列三篇文章概述了透鏡設計的基本過程，分析了透鏡的性能，并在一定的設計約束下進行了優(yōu)化。
