SYNOPSYS 有奖征文来稿 三

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SYNOPSYS光学设计实例分享
作者：陆柏

近年来，SYNOPSYS从众多光学设计软件中脱颖而出，热度越来越高。作为世界上主流的光学设计软件之一，除了基本功能，SYNOPSYS具有目前世界上运算速度最快的PSD优化算法，其运算速度远超传统的阻尼最小二乘法。其次，在光学设计中，好的初始结构往往能让我们更快更高效的达成设计目标，而通常获取初始结构的方法是通过大量计算，或者参考同类型产品和相关专利。但在SYNOPSYS中，使用DSEARCH（定焦结构搜索）和ZSEARCH（变焦结构搜索）功能，只需要输入设计目标参数，系统在几分钟之内就可以给出多达10个最接近要求的初始结构以供选择。如果还不满意，不妨再多花几分钟重新搜索一遍。

接下来以一个经典的定焦摄影镜头为例，感受一下SYNOPSYS如何快速得将我们的想法转化为一个实际可用的镜头。初期目标是设计一个焦距50mm，FNUM 1.8的照相镜头，目前市面上大部分都是采用6-7片式的结构，但是其中都加入了非球面。这里尝试仅使用球面镜片来完成这个目标。

图1.DSEARCH界面。可以在命令窗口输入MDS打开，或者从顶部工具栏的优化+设计搜索里的DSEARCH搜索打开

首先在SYNOPSYS的DSEARCH界面按照要求输入系统参数，目标参数，特殊优化目标和迭代次数，系统会同步生成一系列的宏命令。这里可以选择直接启动搜索，但我建议将宏命令保存下来，因为在SYNOPSYS中宏命令十分强大，除了可以更快速、方便得对参数进行修改，还能实现很多界面上没有包含的功能。当然这需要先仔细阅读帮助手册，但是一些常规的、基础的、实用的命令，就算是对一个新手来说也是非常简单易记的。

运行DSEARCH之后，得到10个与设计目标最接近的初始结构，和系统自动生成的优化宏。并从中筛选出10个评价函数最小的初始结构，而这项工作SYNOPSYS仅用了几分钟的时间。

选择其中一个初始结构，查看它的一阶特性，像差，RMS光斑，MTF，相对照度等参数，发现距离我们最终目标还有一定的差距。在优化宏里增加更多，更详细精确的优化命令，边界条件，运行优化宏并且使用退火这个全局优化功能使当前的镜头的评价函数值尽可能小。这通常意味着镜头也越来越好，但是需要注意的是，这跟我们设置的各个评价函数的权重也有关系，需要时刻关注各个参数的变化，以免镜头朝着一个错误或者极端的方向优化。

图2.DSEARCH返回的10个初始结构

图3.选择的初始结构和系统自动生成的优化宏

图4.初始结构的一阶参数，横向色差及畸变

图5.全视场RMS光斑曲线

图6.多视场衍射MTF

不断地调整优化命令和权重，运行优化和退火，直到当前结构最评价函数值已经接近极限时，我们发现与设计目标仍有差距，于是在优化宏里增加一条简单的命令- AEI 1-自动在当前结构的基础上在最合适的位置，增加一片让镜头更好的镜片。

图7使用.AEI命令增加一片镜片后的9片式结构

继续进行优化，过程中在优化宏里加入了优化MTF的命令，此时发现RMS光斑和MTF仍然与设计目标有差距。于是继续执行AEI命令将镜片数量加到10片。

图8.镜片数量为10片时的镜头结构

此时镜头的RMS光斑和MTF已经接近设计要求，于是我们继续调整权重，将镜片的材料替换为成都光明玻璃库里的真实玻璃，设置光阑。最终在10片球面镜的结构下，达成了设计目标。

图9.最终镜头结构

图10.最终RMS光斑曲线

图11.最终衍射MTF曲线

在极短的时间内，将一个想法转换为了一个成像质量非常高的镜头，我们只需要清楚我们的目标，修改优化宏，调整权重，其他的交给SYNOPSYS。除了优化速度快，初始结构易获取，自动增删元件等功能，SYNOPSYS中还有比如自动寻找非球面、衍射面，自动搜索最佳的玻璃组合，自动输出变焦镜头的凸轮曲线等等高效且实用的功能待我们探索。