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，包括構建系統(第一部分)、分析其性能(第二部分)，以及根據所需的指標和設計約束對其進行優化(第三部分)。

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簡介

這是由三篇文章組成的系列文章的第三部分。介紹了優化的基本概念，演示了如何將參數設置為變量，展示了如何使用評價函數向導來評估設計的質量，并解釋了如何執行優化本身。最后，本文對最終的系統性能進行了評估。

首先在系統參數中定義系統單位、鏡頭表面的數量以及鏡頭的名稱。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參數中設置。

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性能的分析。

設置變量和搭建默認評價函數

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 在優化過程中將參數視為自由度，必須將參數設置成變量。您可以通過單擊軟件上方快捷鍵優化+設計搜索，選擇優化，在步驟1、選項1中設置參數變量。在優化窗口右側，同步出現優化宏命令，就代表參數變量已經設置完成。打開附件中的“001.RLE”文件，運行宏文件后對其鏡頭結構進行優化，設置變量的結果如下圖所示：

一旦設置好變量，現在就可以構造默認的評價函數。通過點擊：優化>步驟2、選項1，設置預定的評價函數。

評價函數 (Merit Function) 是光學系統與指定目標的接近程度的數值表示。在優化宏中，SYNOPSYS 使用宏命令操作，這些操作命令分別代表系統的不同約束或目標。當優化宏文件構建好后， SYNOPSYS 中的優化算法會嘗試使評價函數的值盡可能小。

雖然您可以自己構建評價函數，但是讓 SYNOPSYS 為您構建評價函數更加容易。默認的評價函數可以通過從優化選擇步驟2中選項1：預定的評價函數來構建。構建的結果如下圖所示：

選擇此選項后，將出現各種評價函數，可以從中選擇各種選項來定義默認的評價函數。

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的條目中。如系統要求所述，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，所有其它參數都可以保留為默認值。下圖是對透鏡的厚度邊界約束的結果：

執行優化

現在您將注意到，選擇的評價函數已經自動轉換成了相應的命令行。每個命令都有一個特定的目標、權重。下圖是優化的宏文件：

在優化過程中，SYNOPSYS 降低這個評價函數值，這意味著使設計更接近優化宏中描述的目標。要優化系統，請選擇啟動優化>立即優化。SYNOPSYS 運行優化程序，直到它找到局部最小值，作為目前評價函數的解。

點擊創建一個宏，可以將優化宏進行保存，方便以后調用。打開附件中的優化文件“002.MAC”，下圖是優化的宏文件：

注意，SYNOPSYS 中 PAD 圖下方的評價函數值的變化。按下運行按鈕運行優化，注意評價函數值的變化：

評估最終的系統性能

現在優化過程已經完成，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 在初始系統需求中給出的約束條件下，對單透鏡進行了優化。同樣重要的是，SYNOPSYS 為鏡頭選擇的厚度在預期范圍內，邊緣厚度大于2毫米，每一個都滿足最初的系統需求。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！

結論

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化。

最佳練習方法是從在系統選項中輸入適當的系統設置開始。之后，您可以開始在鏡頭數據編輯器中輸入數據。確保對任何未知參數使用有根據的猜測和求解，這樣優化就有了一個強有力的起點。然后，設置變量并進行優化。操作數可以手動輸入到優化宏中，也可以通過預定評價函數輸入，這些操作數將定義優化目標。通過降低評價函數值來逼近目標，可能需要多次優化。