這篇文章旨在向新用戶介紹 SYNOPSYS 的功能。文中介紹了如何設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，使用 ACON 窗口、基本的分析功能和軟件的 DSEARCH 搜索功能。

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簡介  

光線追跡廣泛應(yīng)用于模擬光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播過程。使用光線追跡的方式對光的傳播進(jìn)行模擬的方法通常稱為幾何光學(xué)。

在 SYNOPSYS 的光線追跡過程中，光線會(huì)按預(yù)先定義的一系列表面的順序進(jìn)行追跡，從物面穿過整個(gè)系統(tǒng)傳播到像面上。其中，光線與所定義的每個(gè)表面只接觸一次。并且光線在表面中追跡的計(jì)算速度非常快，因此在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和公差分析時(shí)非常有用。通過光線追跡可以快速實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像系統(tǒng)的像差計(jì)算，例如光線光扇圖的繪制、衍射計(jì)算以及波前差計(jì)算等。

許多傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)都可以歸類為光學(xué)成像系統(tǒng)，包括相機(jī)物鏡、遠(yuǎn)攝鏡頭、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、中繼鏡和光譜儀系統(tǒng)等。

SYNOPSYS 中的圖形界面

當(dāng)您首次打開 SYNOPSYS 時(shí)（無論是試用版還是完整的許可證版），您將看到如下圖所示的界面，界面很簡潔，但是功能很強(qiáng)大，其中包括了工具欄、沿 SYNOPSYS 主窗口頂部的功能按鈕欄和沿 SYNOPSYS 主窗口左側(cè)顯示的工具欄提供了對 SYNOPSYS 的許多命令和特性的快速鼠標(biāo)訪問。

SYNOPSYS提供的所有功能都可以在頂部的工具欄中相應(yīng)的子菜單或者主窗口頂部的功能按鈕欄里找到。大部分功能都可以通過在窗口側(cè)邊的功能快捷鍵來實(shí)現(xiàn)快速訪問。您可以在文件(File)菜單中導(dǎo)入或者導(dǎo)出ZEMAX的文件，也可以導(dǎo)入或者導(dǎo)出CODE的文件。

頂部的工具欄中包含了文件、工作區(qū)域、視圖、系統(tǒng)設(shè)置、透鏡數(shù)據(jù)+視圖、像質(zhì)分析、優(yōu)化+設(shè)計(jì)搜索、制造加工、工具+庫、經(jīng)典菜單、圖形以及幫助的菜單。

在文件的子菜單里可以進(jìn)行工作目錄的選擇以及語言選擇，還可以打開鏡頭文件到數(shù)據(jù)列表以及打開鏡頭文件。

在工作區(qū)域的子菜單里可以進(jìn)行新建窗口、撤銷或者恢復(fù)上一步的操作。在視圖的子菜單里可以改變小窗口的排列方式，還可以找到打開的小窗口。

在系統(tǒng)設(shè)置的子菜單中可以對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對波長進(jìn)行修改，對物，光闌和光瞳進(jìn)行設(shè)置，還可以對偏振以及系統(tǒng)工具進(jìn)行設(shè)置。

在透鏡數(shù)據(jù)+視圖的子菜單中可以查看鏡頭的二維視圖、三維視圖、透鏡數(shù)據(jù)列表以及透鏡表面實(shí)用工具和透鏡系統(tǒng)實(shí)用工具。

在像質(zhì)分析的子菜單中，可以查看鏡頭的像差、足跡圖、鬼像分析、刀口、MTF、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等等，用于分析鏡頭的成像質(zhì)量。

在優(yōu)化+設(shè)計(jì)搜索的子菜單中，可以進(jìn)行優(yōu)化、退火以及DSEARCH搜索。利用PSD算法對SYNOPSYS進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，該算法被稱為偽二階導(dǎo)數(shù)算法，其優(yōu)于常見的阻尼最小二乘(DLS)方法。這種方法已被證明是最通用和強(qiáng)大的方法之一，優(yōu)化非線性系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)的。模擬退火是為了跳出局部最小值，進(jìn)行全局優(yōu)化。DSEARCH搜索是二元搜索法，它是從平板開始，然后賦予每個(gè)元件正負(fù)光焦度，進(jìn)行搜索+優(yōu)化，此過程會(huì)將所有鏡頭組合都經(jīng)歷一遍，最后給出評價(jià)函數(shù)最小的10個(gè)最有潛力的結(jié)構(gòu)。在DSEARCH輸入文件時(shí)盡可能地輸入需求，這樣搜索出的結(jié)構(gòu)會(huì)更接近您的技術(shù)指標(biāo)。如果所有的設(shè)計(jì)都偏離了您的目標(biāo)，也許是因?yàn)樵O(shè)計(jì)走向了您意想不到的方向，那么修改輸入并運(yùn)行程序、檢查結(jié)果。如果一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)看起來是一個(gè)好的起點(diǎn)，評估一下它們，看看還有什么缺點(diǎn)。

在制造加工的子菜單中，可以進(jìn)行公差預(yù)算、透鏡繪制，還可以利用測試版等，其中所包含的實(shí)用工具是用于操作或分析鏡頭的實(shí)用程序。

在工具+庫的子菜單中，包含了鏡頭庫存/目錄、一階工具、透鏡單元編輯器、程序控制開關(guān)、邊緣定義，其中的一階工具也就是指近軸主光線和邊緣光線。

在經(jīng)典菜單的子菜單中，MLI-顯示所有菜單、MOS-透鏡打開和保存、MLL-透鏡列表、SYS-系統(tǒng)編輯、MLA-透鏡分析、MIM-像質(zhì)分析、MOM-按提示優(yōu)化、MSB-簡單公差計(jì)算。

在圖形的子菜單中，可以對圖形窗口進(jìn)行設(shè)置，對圖形窗口進(jìn)行縮放和移動(dòng)，改變背景顏色，或者重復(fù)使用圖形窗口、新建圖形窗口等。

在幫助的子菜單中，可以打開幫助手冊、用戶手冊、教程手冊以及SYNOPSYS軟件的相關(guān)信息，還可以打開PDF格式的用戶手冊。

主窗口頂部的功能按鈕欄中含有 LE 鏡頭編輯器、數(shù)據(jù)表、工作表、PAD 窗口、ACON 窗口、模擬退火、修正光線錯(cuò)誤以及幫助手冊等按鈕。

LE 編輯器實(shí)際上是一個(gè)專用的宏窗口，SYNOPSYS 在其中放入 LEO 文件的副本，這是一個(gè) rle 格式的文件，描述了所有的鏡頭數(shù)據(jù)。在 LE 鏡頭編輯器中，可以對鏡頭的名稱、半徑、厚度、材料等數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

SPS 電子表格是編輯鏡頭表面數(shù)據(jù)很便捷的地方。在數(shù)據(jù)表中，可以修改鏡頭的表面繪制、表面類型、厚度、折射率、膜層、孔徑、傾斜和偏心，數(shù)據(jù)表所在的窗口可以布局在特定區(qū)域或者切換到層疊的狀態(tài)，還可以用鼠標(biāo)隨意拖動(dòng)或者縮放。默認(rèn)的窗口狀態(tài)可以在頂部工具欄中的視圖中設(shè)置，有層疊和平鋪兩種方式。

在工作表中，可以更加精確的修改鏡頭，工具欄按鈕顯示在 PAD 顯示器的頂部(在工作表模式下)，您可以使用它插入和刪除表面、折疊鏡子和元素、翻轉(zhuǎn)元素或鏡像，或創(chuàng)建一個(gè)檢查點(diǎn)，您可以使用“撤消”按鈕恢復(fù)到該檢查點(diǎn)。此外，還提供了四個(gè)滑塊，您可以使用它們更改 RLE 文件中的任何參數(shù)，包括曲率、彎曲和表面厚度，或沿著軸滑動(dòng)元素，同時(shí)使用 PAD 顯示器監(jiān)視效果。您甚至可以在編輯窗口中選擇一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)(沒有分配給滑塊)，并在單擊按鈕后用頂部滑塊更改它。

PAD 是一個(gè)圖形窗口，可以同時(shí)顯示一個(gè)或兩個(gè)顯示器。它通常用于同時(shí)查看鏡頭繪圖和顯示圖像質(zhì)量。為了更清楚的查看鏡頭的結(jié)構(gòu)，您可以對窗口進(jìn)行縮放。您也可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)滾輪進(jìn)行縮放。如果想讓鏡頭結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原先的比例大小，您可以點(diǎn)擊 PAD窗口上方的合適位置按鈕。PAD 還包含多個(gè)功能，可讓您更換鏡頭并立即看到像質(zhì)上的效果。一個(gè)有用的工具是按鈕  （也出現(xiàn)在主窗口側(cè)邊欄中），這將打開 LE 鏡頭編輯器，您可以在其中更改鏡頭中的任何內(nèi)容，當(dāng)您退出編輯器（使用按鈕  ）時(shí)，顯示的內(nèi)容會(huì)更新。當(dāng)運(yùn)行它時(shí)，此選項(xiàng)會(huì)將整個(gè)鏡頭替換為編輯器中的內(nèi)容，因此請務(wù)必確保不要?jiǎng)h除任何重要的內(nèi)容。PAD 允許您定義多達(dá)五種不同的顯示格式，您可以通過按鈕 

切換。因此，您可以使用選擇 1 查看 Y-Z 剖面圖繪制和光扇圖，使用選擇 2 查看兩個(gè)方向的透視圖，等等。您可以在任何時(shí)候從其中一個(gè)切換到另一個(gè)，甚至在優(yōu)化期間。所有選擇和所有 ACON 的 PAD 布局可以用命令 SSU 保存或用 RSU 召回。

利用 ACON 窗口，SYNOPSYS 可以同時(shí)保持 6 個(gè)完全獨(dú)立的鏡頭。這些被稱為備用配置，從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)是很簡單的。命令 ACON NB 將更改為配置 NB，該配置必須為 1 到 6 之間的數(shù)字。您還可以通過單擊一個(gè)工具欄按鈕來更改配置。當(dāng)您選擇了所需的配置后，您可以執(zhí)行任何普通的 SYNOPSYS 任務(wù)，例如獲取鏡頭等。如果你后來切換回一個(gè)更早的 ACON，它仍然會(huì)和以前一樣。您可以通過輸入命令來查看當(dāng)前的 ACON。

在優(yōu)化完成后，可以進(jìn)行模擬退火，模擬退火是為了跳出局部最小值，進(jìn)行全局優(yōu)化。

在光線追跡出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，修正光線錯(cuò)誤的按鈕就會(huì)亮起，點(diǎn)擊按鈕直至按鈕熄滅，出錯(cuò)的光線就被修正好了。在遇到不懂的指令時(shí)，可以在幫助手冊中查找相應(yīng)的解釋以及相關(guān)的案例說明。

沿主窗口的左側(cè)顯示的工具欄提供了對 SYNOPSYS 的許多命令和特性的快速鼠標(biāo)訪問。主要包含了鏡頭庫、獲取鏡頭、SPEC 鏡頭數(shù)據(jù)列表、LE 鏡頭編輯器、三階像差、DWG 二維繪圖、PER 三維繪圖、SOLID 旋轉(zhuǎn)繪圖、RPT 光扇圖、RPO OPD 光扇圖、MDI 衍射分析、MOP MTF 分析、MGI 幾何分析以及點(diǎn)列圖等按鈕。

在鏡頭庫中，只能存 10 個(gè)設(shè)計(jì)好的鏡頭，調(diào)用的時(shí)候只需輸入相應(yīng)的編號(hào)就可以了。獲取鏡頭和鏡頭庫不一樣，它沒有數(shù)量的限制，可以存更多的鏡頭文件。SPEC 鏡頭數(shù)據(jù)列表可清楚的觀察到鏡頭的詳細(xì)數(shù)據(jù)，在命令窗口中輸入 SPEC 指令也可以得到相同的結(jié)果。LE 鏡頭編輯器和主窗口頂部的功能按鈕欄中含有 LE 鏡頭編輯器是一樣的功能，三階像差在頂部的工具欄像質(zhì)分析的子菜單像差中也可以找到，繪圖以及成像分析也都可以在頂部的工具欄中找到。

點(diǎn)列圖分析

SYNOPSYS 可以生成許多不同類型的分析窗口（打開1.RLE 鏡頭文件進(jìn)行鏡頭分析）。

在主窗口側(cè)邊的快捷欄中，有點(diǎn)列圖分析的快捷按鈕，在您進(jìn)行點(diǎn)列圖分析時(shí)，點(diǎn)擊該按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)鏡頭1視場的點(diǎn)列圖，結(jié)果如下圖所示：

還可以利用命令來進(jìn)行點(diǎn)列圖分析，在命令窗口中輸入指令：

SPT M 1.0 200 0.05 0

再點(diǎn)擊回車，其出來的結(jié)果與點(diǎn)擊快捷鍵的一樣，如下圖：

除此之外，還可以在界面上進(jìn)行操作得到分析結(jié)果，具體步驟如下圖所示：

首先在像質(zhì)分析的子菜單中選擇點(diǎn)列圖。

然后在界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置，在設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)，窗口中間會(huì)有相應(yīng)的命令行顯示，設(shè)置完成后點(diǎn)擊運(yùn)行 SPT 按鈕。

SYNOPSYS 還支持其他類型的點(diǎn)列圖分析。選擇像質(zhì)分析菜單欄中的點(diǎn)列圖中的離焦點(diǎn)列圖功能以及全視場點(diǎn)列圖。您將看到當(dāng)前透鏡系統(tǒng)的點(diǎn)列圖分析結(jié)果：

光扇圖分析

在 SYNOPSYS 中，可以通過分析光線像差和光程差的方法來衡量一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差。您可以在像質(zhì)分析菜單中找到這些功能（打開1.RLE 鏡頭文件進(jìn)行鏡頭分析）。

打開光扇圖，分析窗口中顯示了每個(gè)視場和波長下子午方向和弧矢方向的光扇圖。

除了光線像差，SYNOPSYS 也能生成波前像差光扇圖。這類分析圖表也稱為 OPD 光扇圖（光程差，Optical Path Difference）。在光扇圖界面繪制光扇圖中選擇 OPD 圖。SYNOPSYS 將對每個(gè)視場和波長繪制相應(yīng)的波前像差光扇圖。

使用技巧：除了利用界面進(jìn)行繪制光扇圖，還可以利用軟件的快捷按鈕進(jìn)行繪制。

MTF 分析

SYNOPSYS 同樣支持對系統(tǒng)進(jìn)行衍射分析。

點(diǎn)擊像質(zhì)分析菜單中的 MTF（衍射），（在命令窗口輸入 MWL，打開鏡頭庫，選擇1.RLE 鏡頭文件進(jìn)行鏡頭分析）選擇衍射 MTF。

使用技巧：您也可以通過點(diǎn)擊主窗口左側(cè)按鈕快捷鍵中的按鈕來選擇要打開的鏡頭文件。

點(diǎn)擊像質(zhì)菜單中 MTF（衍射）中的衍射MTF來查看這個(gè)鏡頭的 MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）分析結(jié)果。首先將顏色改成 M，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，結(jié)果如下圖：

同時(shí)，在命令窗口中還會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，如下圖：

除了分析 MTF（衍射），還可以分析 MTF（幾何）等等。

DSEARCH 搜索

SYNOPSYS 的 DSEARCH 初始結(jié)構(gòu)搜索功能可以做到從零開始獲得一個(gè)初始結(jié)構(gòu)。在“優(yōu)化+設(shè)計(jì)搜索”菜單中選擇 “DSEARCH 搜索”以打開 DSEARCH 輸入對話框。

在設(shè)計(jì)搜索->步驟1:系統(tǒng)參數(shù)選項(xiàng)中，輸入用于并行計(jì)算的核心數(shù) CORE 8，以及指定鏡頭的保存位置。勾選安靜模式選項(xiàng)來抑制所有輸出到當(dāng)前的命令窗口。并在此對話框中進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的輸入，輸入鏡頭 ID、波長 CdF 譜線、定義物體類型 OBB（即物在無窮遠(yuǎn)）、物尺寸輸入 20（即半視場角）、光束半孔徑11.11 mm。

在設(shè)計(jì)搜索->步驟2:目標(biāo)選項(xiàng)中，輸入系統(tǒng)元件數(shù)為3，系統(tǒng) F 數(shù)為 4.5、相應(yīng)權(quán)重 1，擬定后焦距固定為80mm，系統(tǒng)總長為 32.5mm，權(quán)重為 1，使用默認(rèn)的視場 0,0.75,1以及相應(yīng)權(quán)重設(shè)為 3,2,1。光闌設(shè)置在系統(tǒng)中間且自由移動(dòng)。選擇“所有波長”以校正所有定義的波長。

這些參數(shù)都是可以進(jìn)行調(diào)整的，如果搜索出的結(jié)果不太好，就可以調(diào)整參數(shù)重新 DSEARCH。

在設(shè)計(jì)搜索->步驟 3:特殊優(yōu)化目標(biāo)選項(xiàng)中，設(shè)置任何您想要的控制的變量以及評價(jià)函數(shù)。這里先不做特殊的限制

在設(shè)計(jì)搜索->步驟 4:啟動(dòng)搜索選項(xiàng)中，直接使用默認(rèn)的設(shè)置。

把宏指令命名保存并運(yùn)行。

SYNOPSYS 會(huì)自動(dòng)優(yōu)化尋找符合我們所編輯的宏文件里的命令行的初始鏡頭結(jié)構(gòu)，運(yùn)行結(jié)束后會(huì)返回十個(gè)不同的軟件認(rèn)為最有潛力的初始鏡頭結(jié)構(gòu)，同時(shí) PAD 圖中會(huì)顯示評價(jià)函數(shù)最小的鏡頭結(jié)構(gòu)布局圖。

同時(shí)會(huì)生成一個(gè)基于 DSEARCH 參數(shù)的優(yōu)化宏，后續(xù)可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化透鏡。

默認(rèn)不輸入?yún)?shù)的 ACC 為 1 英寸，即 25.4mm。感覺透鏡厚度太大了，在優(yōu)化宏的 ACC 后面增加 5 1 1。并運(yùn)行優(yōu)化，控制元件最大中心厚度在 5mm 左右。

進(jìn)階學(xué)習(xí)與探索

您可以隨時(shí)打開 SYNOPSYS 幫助手冊中的其他示例文件、已有的自定義文件或者從頭創(chuàng)建您自己的系統(tǒng)，來繼續(xù)探索 SYNOPSYS 的功能。您可以在手冊提供的示例文件中嘗試分析菜單欄中的其他分析功能。

SYNOPSYS 中的幫助系統(tǒng)( Help Sytem )是非常好的學(xué)習(xí)資源，您可以在探索其他分析功能時(shí)查看幫助系統(tǒng)以獲取更多信息，幫助系統(tǒng)可以在幫助菜單中打開或者利用快捷按鈕打開。