SYNOPSYS 光学设计软件课程三十八：从零开始设计变焦镜头

在某个周五的中午。您的老板跑了进来：“客户希望在星期一早上8点前收到 8 倍变焦镜头”。您从未设计过变焦镜头。您的工作不知如何开始？他给您一份设计清单，然后就出去了。现在怎么办？

如果您有一个设计变焦镜头的任务，您可以访问专利数据库并尝试找到类似的镜头。这可能需要很长的时间。

但是，如果您选择 SYNOPSYS™ 光学设计软件,您将有一位很好的助手来帮助您快速的完成这项工作。以下是您需要做的。

1.启动程序。
2.在命令窗口中输入 HELP ZSEARCH。打开 10.7.3 节。
3.阅读整章。但如果您已经知道如何在 SYNOPSYS 上执行其他任务，那么您就能很好的完成工作。
4.设置您对 ZSEARCH 的输入。镜头 F / 3.5，半视场角为 14 度，像高（GIHT）为 5 毫米。

以下是您的 MACro：（C42M1.MAC）

LOG                       ! 以备日后追迹

PROJ                      ! 来看看这次运行花了多长时间

CORE 16                  ! 在我们的8核超线程电脑上，它的运行速度是原来的8倍ZSEARCH 3 QUIET         ! 将结果保存在镜头库位置3

SYSTEM ID ZSEARCH TEST

OBB 0 14 2.85          ! 无限远的物体，14度的半场，2.85毫米的半光圈。

UNI MM

WAVL CDF

NOVIG

END

GOALS ZOOMS 5

GROUPS 3 3 3 3           ! 镜头有四组，共12个元件

ZGROUP 0 Z Z 0           ! 第2组和第3组将被放大

FINAL                      ! 在最后的变焦位置声明所需的物方参数

OBB 0 1.7545 22.8        ! 物方参数是1.7545度的半场和22.8毫米的半孔径

                            ! 这意味着有8倍的变焦。.

ZSPACE LIN            !其他变焦物方将在第一和最后一个变焦物方之间保持线性间隔

APS 19                     ! 将光阑放在最后一组的第一面

RT 0.5

DELAY OFF                  ! 不要要求中止其他核心的工作

GIHT 5 5 10                   ! 所有变焦的像高为5毫米，权重为10。

BACK 20 .02                 ! 后焦是20毫米，会有变化。

FOV 0 .4 .6 .85 1           ! 正确的五个视场点

FWT 5 4 3 3 3

COLOR M                     ! 定义所有波长

ANNEAL 50 10  Q             ! 退火，因为它是在真实模式下进行优化的镜头

QUICK 50 100                ! 快速模式下50次，真实模式下100次

END

SPECIAL AANT

AAC 30 1 5                   ! 要求所有元件的最大半孔径为30毫米

ACA 50 1 1                   ! 监视器的光线要远离临界角

END

GO                           ! 启动ZSEARCH

变焦镜头由四组透镜组组成，每组有三个透镜。在最终的设计中，第一组将被用于变焦，最后一组将被固定，以满足镜头的 F/number。我们可能需要超过 12 个镜片，我们可以向 ZSEARCH 提出更多要求 - 但如果我们从上述结构开始它会运行得更快，然后在需要的时候添加元件。它可能还需要五个以上的变焦位置 - 但我们从一个简单的系统开始，后面可根据需要添加镜片。

我们运行这个 MACro ，并在 16 个窗口中查看每个内核的进度。     

当快速模式完成后，程序会对 10 个最佳模式进行优化。大约一个小时后，我们看到了如下结果:

只要浏览一下评价函数值，就会发现其中大多数结构都是有潜力的。程序已经将最好的一个结构加载到 PAD 显示中。

这将是我们的初始结构的镜头。

该程序为我们创建了一个优化 MACro，已经加载了起始评价函数和一组变量。我们运行这个宏，评价函数几乎不动。然后我们单击模拟退火按钮，将起始温度更改为 50，请求 100 次通过，然后单击“确定”。（当镜头处在局部最小值时，通常需要更高的温度，但是当您开始新的设计时，这可能只会减慢速度。）评价函数现在已降至 4.68

通常人们想知道为什么评价函数不会再降低。通过输入 FINAL 5 来检查。这显示了评价函数中的五个最大项。

我们注意到 AAC 想要一个大于 30 毫米的孔径。这种像差比其他像差大得多，所以我们应该增加控制目标。

当我们到达某个阶段时，我们可能希望稍后再回到这个阶段(如果我们的一些想法没有像我们希望的那样成功)，我们单击顶部工具栏中的 ACON copy 按钮。如果我们开始时的镜头是多重结构 1，因为它是默认的，这将会在备用多重结构 2 或 ACON 2 中放置一个副本。然后我们在那个 ACON 中创建一个检查点并进行更深层次的设计，还可以通过“1”按钮返回到我们想要 ACON 1。我们经常以这种方式使用所有六种多重结构。

在 AANT 文件中，将命令行 AAC 30 1 1 更改为 AAC 35 1 1

此外，我们希望真正的主光线准确地到达表面 19 的中心，即光阑处，因此我们在 CHG 文件中将定义更改为 APS -19 或使用 WorkSheet™。这需要一个真正的光瞳，这意味着每一个真正的主光线都是通过叠加找到的。

制作一个新的检查点并运行 MACro 然后再次模拟退火。评价函数降至 4.37。光扇图看起来很棒，但很多元件都太薄了。我们必须再次改变评价函数。当我们这样做的时候，我们删除了定义像差的 zoom 组选项，这些 zoom 组相比 zoom 1较高。

 ZOOM            1

M   0.500000E+01  0.100000E+02 A GIHT

GSR     0.500000     5.000000      4  M     0.000000

GNR     0.500000     4.000000      4  M     0.400000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.600000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.850000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     1.000000

 ZOOM            2

M   0.500000E+01  0.100000E+02 A GIHT

GSR     0.500000     5.000000      4  M     0.000000

GNR     0.500000     4.000000      4  M     0.400000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.600000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     0.850000

GNR     0.500000     3.000000      4  M     1.000000

然后我们修改 zoom 1 的要求，所以它们应用于所有的变焦组。现在，如果我们想改变某个地方的权重，它将应用于所有变焦组。

 除了终止 AANT 文件的 END 之外，ZGROUP 指令还需要自己的 END 来终止组。最后，我们在 ZGROUP 命令行之前添加一个新的探测器 ADT 8 1 1，以控制元件厚度，并重新优化和模拟退火。

现在我们拥有一个相当不错的镜头，有 12 个镜片。
我们猜测镜片 1 和 3 处的元件可以合并为一个元件。我们可以进行如下尝试。

在 PANT 命令之前创建一个检查点，然后添加如下命令 AED 9 QUIET 1 24

再次运行 MACro，该程序想要删除表面7处的元件！让我们更改 PANT 文件，注释掉 AED 行，删除所有 GLM 变量并用如下命令行替换它们  VLIST GLM ALL

然后重新优化并模拟退火，评价函数现在更大，为 8.39。让我们看看添加 AEI 命令行是否会改善它。

AEI 遵从 CORE 指令，如果 CORE 指令被激活，您将能调用电脑里所有的内核。您可以在 PAD 显示器中观察它们的进度，但由于我们已经激活了 16 核，因此您只能看到 1/16 的状态（除了显示的状态窗口外，其他核不会更新显示）。

在 PANT 指令之前添加 AEI 9 1 123 0 0 0 50 10 并再次运行它。

该程序在表面 19 添加了一个元件。注释掉 AEI 命令行并继续优化。评价函数变为 4.9。

现在我们的镜头如下：

ACM 3 1 1

我们注意到有些镜片边缘很薄; 我们将 AEC 命令行更改为 AEC 2 1 1。
这将对任何厚度小于 2 毫米的边缘进行优化。此外，由于某些元件相当薄，因此在 AANT 文件中添加一个命令行：ACM 3 1 1

这将对任何厚度小于 3 毫米的厚度进行优化。再次优化和模拟退火，评价函数现在为 5.56。（向评价函数添加任何新内容通常会使值上升。）

我们仍然推测元件 1 可以被删除，所以我们再次运行 AED。结果显示为表面 5。所以我们让它删除该元件并再次优化。现在评价函数 6.54，我们再次运行 AEI。程序在曲面 7 处添加元件，评价函数降至 5.62。

是时候检查一下了。我们点击每个 zoom 右边的按钮来检查我们 5 个变焦镜头的像质......

变焦镜头变焦时，镜片不会发生重叠，并且没有羽化边缘。ZSEARCH 添加到 MACro 的 AZA 监视器会自动处理这些问题。

CAM OPT

这是一个有五个变焦位置的良好变焦镜头。变焦时候会发生什么？我们必须找出答案。镜头很可能在某处得不到很好的修正，我们将不得不添加更多的变焦镜片组。首先，我们需要一个凸轮曲线，它可以让我们在两个点之间插入定义的变焦镜头。输入 CAM OPT 程序找到变焦镜头数据的幂级数展开的最佳指数，该镜头数据在定义的变焦镜头之间平滑地插值。但是曲线只在五个定义的变焦处产生一个对焦图像，因为它还没有接收到其他的设置。

要查看此信息，请运行镜头滑块（单击 ZoomBar™ 底部的按钮）。您会看到图像在几个地方离焦。我们需要更多的变焦组。键入 CAM 10 SET。

我们定义 10 个变焦组，我们的 MACro 将自动改变并控制它们（这就是为什么我们改为 ZGROUP 的原因：现在我们不必在新的变焦组中声明光线的定义。）

制作一个新的检查点，然后再次运行 MACro 并模拟退火。（请务必先注释掉 AEI 命令行。）变焦组 1 看起来大致相同。

CAM 15 SET

再次运行 CAM OPT，然后运行镜头滑块。除了在变焦 10之前，焦点突然改变，结果看起来不错。我们需要更多的变焦组。请键入 CAM 15 SET

并重新优化。然后再次运行 CAM OPT。程序将再次找到所有变焦参数的最佳拟合多项式并展开，用于在运行变焦滑块时生成中间位置。通常，这可以在范围内进行平滑变焦。我们可以通过设置三次多项式来获得更好的结果。

打开 WS 并单击 ZFILE 按钮。这会将变焦镜头加载到编辑窗格中。在显示的位置键入 CUBIC，然后单击“更新”按钮。现在再次尝试滑块。

也可以将给定的变焦镜头组声明为多项式展开的聚焦组，两者同时使用也是明智的。（这是变焦镜头制造商在实践中所做的事情：移动一组并重新聚焦另一组，然后标记位置并相应地切割凸轮曲线。）有关详细信息，请参阅 ZFILE 下的帮助文件。

性能在变焦范围内非常平滑。结果如下:   

我们可以使用 MSF 对话框检查光斑大小。

将比例更改为 50 um，然后单击“确定”。像非常好。（如果您需要更好的像质，您可以再次运行AEI。）但是您很快就会发现添加另一个元件的好处：像差会随着元件数量的增加而下降。这是有道理的：向双片式透镜添加元件会使变量数增加50％。在 10 个镜片的镜头中添加一个镜片会使变量数增加10％，依此类推。

我们必须用真正的玻璃替换模型玻璃。输入 HELP  ARGLASS 您可以了解更多功能。

保存这个镜头，以便我们可以在必要时再次打开。单击顶部工具栏中的按钮，将保存镜头，其名称取自当前记录编号。ZSEARCH 已经为您的 MACro 添加了一个记录命令，因此每次运行都会增加这个数字。这样，只要您想获得以往的版本，只需单击该按钮即可保存。

您可以从对话框 MRG 运行 ARGLASS 功能。（如果您更改了 ACONs，请确保在当前 ACON 中再次运行优化;  ARGLASS 使用相同的设置。）键入该命令并填写如下数据：

选择 Ohara 目录，安静，优先选择，SORT，单击 OK， 插入玻璃时，评价函数下降了！重复优化具有类似于模拟退火的效果。

我们的镜头如下：

我们还需进行如下操作:

1.运行 CAM ZMAG 0.125。当您更改变焦组数量时，程序会根据之前的曲线重新调整所有数据，这只是一个近似值;重新命名的对象定义可能不完全符合原始的镜头比例规范。这会把以前的数据清理干净。

2.再次优化。

现在镜头只发生了轻微的变化，滑块显示了整个范围内的良好图像。

如果这是一个真实的镜头，我们就必须确保调整元件1和2的位置对于范围聚焦是有效的。首先，估计您需要的那个变焦组的焦距。例如，通过移动一个物体，比如 20 毫米，使其聚焦在 1 米处，这个物体的焦距必须是 141 毫米。如何得到这个图像?利用透镜的牛顿公式，S1*S2= F2 插入 1000 和 20，F计算出为141.42mm。因此，在 ZSEARCH SPECIAL AANT部分添加一项要求。

   M 141 .01 A SECTION FOCL 1 6.

然后设置一个最佳匹配的多重结构，物距在1000毫米，厚度6可以自由变化，同时对两者进行优化。请详细阅读手册中的ACON。

保存这个镜头，然后更改为10个变焦组(通过CAM 10 SET)，这样我们可以在一个图片里看到10个变焦组的情况。

输入ZDWG .25来查看10个变焦组的图片。

如果镜头仍然不够好，那么多次运行AEI将对结果有所帮助。