SYNOPSYS™: 二十一世纪的镜头设计软件
Donald C. Dilworth 著
SYNOPSYS™ 程序已经持续开发了50多年，是世界上功能最强大的光学软件之一。
你正在使用其它另一种光学软件吗？你是不是想用“坐标断点”来操作你倾斜和偏心的部件？ SYNOPSYS™ 为您提供六个坐标系统选项：相对参考、远程参考、群组、局部坐标、全局坐标和外部。你倾斜镜头元件，而不是额外的虚拟表面。还原倾斜或偏心是自动的，所以你不必额外操作。如果需要的话，请参阅望远镜系统坐标中的光线路径。如何处理鬼像？ SYNOPSYS™ 有八种方法来分析鬼像。自动寻找最佳非球面的位置，或者自动插入或删除镜片的最佳位置。 SYNOPSYS™ 自动帮你分析镜头。它能评估透镜的加工成本。
不知道如何确定光阑位置？ SYNOPSYS™ 让您在优化过程中寻找光阑位置。仅仅作为一个变量，不需要额外添加虚拟面。
在设计变焦镜头后，需要计算凸轮曲线。SYNOPSYS™允许您使用滑块功能，移动变焦范围时观察图像。其他光学软件能做到吗？
这些只是您在 SYNOPSYS™ 中发现的众多强大功能中的一些。这个页面描述了更多，所以请继续阅读。如果您有由 Zemax™、OSLO™ 或 Code-V™ 编写的镜头文件，SYNOPSYS™ 也可以为您转换其中的大部分文件，因此您不必重新输入它们。这也体现了软件的易用性。
自1976年商业化以来一直持续不断的更新改进。这就是为什么它现在是世界上最强大的光学软件之一——具有无与伦比的特性。以下是一些特色说明：
1. 自动光线故障校正。只要在 SYNOPSYS™ 命令的第三个关键字的位置添加“FIX”这个命令就可以了，如果由于光线故障导致您的起始镜头不能优化，那么程序将尝试（并且通常成功）修改该起始点，以便追迹所有要控制的光线。世界上没有其他光学软件，具有这种先进的特性。您会享受这个为您节省大量时间的SYNOPSYS™。
2. 程序现在支持多达64个内核。许多特征比以前运行得更快一些。
3. 设计自由曲面系统比以往任何时候都容易。FFBUILD将计算出反射镜角度，并让您快速优化系统的任何类型的非球面。
4. 编写自己的DLL，并将其链接到 SYNOPSYS™ 。如果想要的特殊的表面形状不在软件中,可以自己编写一个。如果想要的特殊的图像分析，软件中未找到该功能？也可以自己编写一个。
全局优化现在在 SYNOPSYS™ 中以两种形式提供：综合二进制搜索和通过鞍点方法构建镜头。从初始结构开始，自动开发衍生设计。或者让程序为你做这一切。即使变焦镜头可以自动设计，无需起点。这一切也将由你选择。
你可能听说过AI或人工智能，但作为SYNOPSYS™的独特功能，这种特性在其他的光学软件上还不具备该功能。它允许你输入一个英语语句来定义你自己的命令或者做任何你想做的事。像“put the stop on 4”，或者“plot back focus for wavelength = .4 to .8”。凭借其几百个单词的词汇量，这个特性使得SYNOPSYS™独特、强大和友好。想再次使用你的句子吗？很简单。只需键入一次，将它定义为一个新命令，然后就可以实现。你可以设置一个按钮来执行你的命令，或者做任何你想做的事情。这体现出软件的易用性。
你可能还对 SNAPshot 的特性特别感兴趣，它在优化期间向您显示镜头及其图像。随着图像的改善，你可以看到镜头的变化。
下面是一段视频，展示了WorkSheet对话框中的滑块如何让您在观察SketchPAD显示结果的同时几乎改变镜头中的任何内容。你也不必局限于对话框上所显示的参数。在编辑面板中选择任意数字，也可以用滑块来改变这个数字！
你可以通过两种方式看到具有真实色彩的图像，作为点图或者衍射图案：
这是一个具有大量横向色差的图像的点扩散函数显示。
用滑块对镜头进行变焦，可以让你在变焦范围内检查100点的元件和图像质量。在动作中观看上面的视频。SYNOPSYSTM 允许您利用一个配置在20个位置校正镜头，并让您迅速和容易地检查100个位置。
Y-YBAR 特性允许您通过改变系统中任何点的一阶属性来定义镜头。
旋转透视的特征显示了屏幕上的镜头情况，在那里你可以很容易地通过鼠标拖拽从各个角度查看它，甚至用我们的红蓝眼镜在真实的3D图像中查看。
旋转实体模型允许您绘制颜色元件。在这里我们看到一个空腔，有多重反射。当你运行 SYNOPSYSTM 时，你可以通过鼠标拖动，使其在你的显示器上旋转。
实体模型的另一个例子。为透镜选择1600万种颜色中的任意一种。
观看上面的视频，看看你能如何旋转实体模型。
这是一组横向光线像差，显示出每个光线扇形图中光线的实际颜色。
这是用相干光形成的空间分辨率目标的图像：你可以模拟几何光学或衍射对各种目标的影响，包括你自己的照片。
SYNOPSYS™也能够模拟照明系统，包括具有朗伯散射特性的LED光源阵列，以及后面的反射器和前面的透镜。请参阅所需位置的光分布。
看看LED光源的照明模式。这里有一个例子，光在光锥内部反射：
... 并在远处的平面上产生这种照明:
这是一个在最后一个透镜上模拟散射的系统。
SYNOPSYSTM 特性列表
系统：折射，反射，中心，倾斜，偏心，焦点，无焦，适应无焦，序列，非序列。
导入：Zemax™, Oslo™以及Code-V™镜头文件。
坐标：相对于前一个表面，全局到表面1，局部到前一个表面（具有任意阶的欧拉角），外部坐标，如望远镜系统。在任何坐标系统中输出透镜和光线追迹数据。
物体：有限远，无穷远，高斯，朗伯体，快F数，偏振；广角，物方NA，物方远心，波导。
● 这是MAP特性的一个例子，在那里你可以看到输出偏振。当你将膜层涂在棱镜表面时，会看到不同之处。MAP可以显示绘图上的18个项目中的任何一个，包括光线坐标和角度，或者全息图频率。
● 能力： 200个表面，20个变焦为单个配置，10000个像差，400个变量，10个波长，6个多重结构同时优化。
● 瞳孔：近轴光线、实际光线、广角（在光阑或所有表面调整），隐含瞳孔通过输入光线瞄准。
● 表面：折射、反射、全息、衍射；光线追迹中考虑膜层。
● 供应商名录：Melles Griot，Inc.；Spindler & Hoyer；Edmund Science公司；Newport公司；JML直接光学；CVI激光公司；和Optics for Research，Inc.匹配、插入或替换透镜元件，用鼠标点击我们的2960个库存透镜元件的完整列表。
● 棱镜库： 直角，阿米西，波罗，五角，鸽子，施密特，佩尚，五角屋顶，双波罗，阿比，佩尚屋顶，双鸽子。在工作表中插入或删除一个带有鼠标单击的棱镜。
这里有一个有关Amici prism的例子。其使用屋顶表面和非序列光线追迹。如果没有屋顶表面膜层，它也将给出上面显示的偏振。但是SYNOPSYS也能够模拟膜层，并且如果屋顶表面镀铝，将会显示出偏振的改善。你甚至可以用内置的FILM程序设计膜层。
● 这是阿贝棱镜的机械图，以及由BTOL公差程序自动生成的公差。如果需要的话，用鼠标点击添加附加注释。
● 各种面型： 平面、球面、圆锥曲面、扩展非球面、双锥面、双径向圆锥面、环面、圆柱面、非旋转对称非球面、完美菲涅耳、带显式区域的菲涅耳面、光栅、全息元件、衍射光学元件、泽尼克多项式、线性三次样条、奇次非球面、双区域非球面，双区域DOE，Forbes多项式A和B，贝塞尔样条，非旋转对称NURBS，非对称DOE曲面。
● 材料库：玻璃目录（Schott, Hoya, Ohara, Corning France, Guangming, LZOS, custom）、IR和UV材料目录、玻璃模型、内插系数、精确指数、计算系数以拟合输入的指数数据、宽带系数（12项）、偏振、双折射、GRINs。在屏幕玻璃表，选定的玻璃性质的图表。SynopSys将在改变温度或气压时计算新折射率。
这是屏幕上的肖特玻璃地图的显示。选择一种玻璃类型，其性能可以立即显示，如下所示：查看所有玻璃的成本、化学性能或部分性能，以便于比较。
这是所选玻璃类型的玻璃特性显示。
● 你可以在玻璃地图上显示13种不同的玻璃性质。在这里，我们看看一些火石玻璃的染色敏感性。仅仅只需两次点击就可将你选择的玻璃插入镜片中。
● 孔径: 圆形、椭圆形、矩形、偏心、内、外、内外多边形、切趾、透镜斜面、平面等。
● 系统选项： 渐晕检查、调整瞳孔以填充光阑、调整孔径以适合瞳孔、调整物体大小以填充图像、指定渐晕作为场点的函数、实轴或近轴CAO、调整瞳孔大小偏离轴、插入和移除表面、删除拾取器、求解、倾斜、偏心固定和自由透明的孔。
● 拾取和求解：曲率，厚度（缩放+常数），折射率，倾斜和偏心。在x和y方向上都可以求解。
● 基本分析：一阶、三阶、五阶、近轴光线轨迹、真实光线轨迹、目标光线轨迹、边缘厚度、矢高列表、元件重量、透镜重量、通量均匀性、光照均匀性、冷反射、鬼像（真实、近轴、buried、绘图）、光线扇形图、OPD图、高斯光线追迹，羽化点。
这里是八种鬼像分析特征之一的例子。
您可以以四种不同的格式显示这些数据，包括显示所选鬼光线路径的透镜的透视图。
公用数据库：镜头库，get、fetch，反折，采样，unfold点定义，HOE点定义，DOE图形输出、曲线拟合两个干涉图（幂级数展开，Zernike polynomial），热环境模拟，捕获文件，贝尔，MACro chaining，锯链，情节，情节。附加的，双镜头，将lenses插入的元件，从供应商的货物目录，回调最后的20个命令，计算估计成本的镜头空白——无论是平面或成型。
这是一个DOE的曝光掩模，在每个边缘的0.3处。
当您的DOE设计好并希望生产加工时，SYNOPSYS可以创建显示区域配置文件的绘图。根据乳化液折射率和使用波长，还可以计算区域高度。供应商可以看到这个中心是波峰还是波谷——所以你以后不会感到惊讶。你现在的程序能做到吗？
瞳孔向导用于定义光线入口瞳孔； 光谱向导用于组合源光谱和检测器光谱，分配给镜头；边缘向导用于编辑元件边缘几何形状。
这是光谱向导，它结合了黑体辐射曲线和眼睛的敏感度。
优化：变量：半径、厚度、折射率、Nd、Vd、圆锥常数、局部或全局坐标中的倾斜和偏心、非球面系数、样条坐标、对象坐标、HOE OPD系数、非焦距调节、ZOOM位置、GRIN参数、HOE结构参数；KICK透镜从局部极小逃逸，模拟退火用于全局优化。可以创建和优化具有温差的热阴影，其中配置2与1相同。自动监控以控制边缘厚度、中心厚度（最大和最小）、表面斜率、避免临界角折射和透镜直径。监视和控制在系统中不同部分的元件阻挡光束的干扰。通过参数空间的二值搜索或鞍点构造进行全局优化。如果初始结构镜头不能追迹光线，软件将会进行自动光线故障校正。
可选配置：配置多重结构6，曲率求解，厚度，倾斜，偏心，折射率，表面坐标，所有表面参数。
像差：厚度边界条件值；自动光线生成（横向像差，OPD，波前差，光斑标准偏差）；质心位置；OPD Zernike或幂级数系数目标，用户定义的光线（（X，Y，Z）在任何表面上的坐标，（X，Y）距主光线的距离，OPD径向截距，衍射MTF；一阶特性（焦距，后焦距，总长度，高斯像高，出瞳位置，近轴散焦，物体坐标，F/数，非焦距）；截面一阶特性（前焦距，后焦距）h、前焦距、后焦距、节点位置、分离、主点位置、分离、入口、出口瞳孔位置、光焦度)结构参数(半径、厚度、指数、色散、倾斜、偏心、冷反射、鬼像反射、非球面系数，矢高）；高斯光束特性（光束半径、发散度、腰斑位置、腰斑半径），（X，Y，Z）三阶像差（球差、彗差、像散、Petzval场曲、畸变、轴向色差和轴外色差）中的HOE点位置；三阶像差关于透镜的选定部分，透镜或其部分的五阶像差；二阶或四阶像差；“单面”像差，通过方程定义像差；公差去敏；元件斜率。选项：派生列表，像差的算术组合，自动测试板匹配，结果摘要，变化，最终像差贡献，优化期间的图形SNAP.，DLS或PSD算法
公差：用户指定的像差对用户指定的变量的反向灵敏度；基于波前方差、光斑方差、Strehl比、衍射MTF、钻孔位移、放大率变化、畸变变化的自动公差预算编制；用户指定的统计值统计置信水平；包括半径、测试板匹配、不规则、厚度、折射率、色散、元件楔、元件倾斜、偏心；最多4个简单的调整。公差预算的蒙特卡罗统计验证，并绘制了模拟生产运行的直方图。可以在公差分析期间进行完全重新优化，以便按预期重新计算或任何数量的实际调整建模。
基本图形分析：镜头绘制、透视绘制、旋转透视绘制、实体模型（可选阴影）、光线扇、OPD扇、场曲曲线、畸变、元件机械绘制、表面形状、偏离最贴近球面、所有变焦位置的绘制、多个透镜合一绘图，对页面进行多种分析，用多个分析图绘制屏幕。
图像分析——几何：光迹图、运动表面光迹图、MTF、点列图、离焦点列图离焦、刀刃追迹、RMS聚焦、RMS光斑大小、光斑标准偏差、离焦离焦MTF；是否带像差的用于扩展或点目标的图像工具。
您还可以用衍射图像得到这种分析，绘制成可视图像或三维表面，如下所示：
图像分析——基于衍射的：MTF、离焦MTF、多视场MTF、瞳孔波前图、波前轮廓、波前条纹、点扩展函数、波前像差系数、波前方差、标准偏差、Strehl比、部分相干分析、图像模型、衍射离子能量分布；扩展或点目标的图像工具，带或不带像差。
下面是图形系统摘要（GSS）的示例。这种分析有许多可选的方法来显示结果。
图像分析——图像解剖：环围能量、狭缝光线追迹、刀口光线追迹、特定形状和位置的探测器上的能量随尺寸或位置的变化。
在上面的图片上可以看到两个表面：右边是衍射点扩展函数，左边是视场点处的MTF，用3D绘制。看到衍射图案下的滑块了吗？拖动它和两个图片旋转。从任意角度看任何一个表面。
图像分析——扩展光源：选择目标：正弦、正方形、三条、单条、刀口边缘、狭缝、输入文本；结合几何、衍射、部分相干图像。
如下图所示，通过像差透镜对文本样本进行成像。您可以指定您想要的任何目标，从我们的菜单中选择——或您自己的照片——来查看镜头畸变和衍射的效果。
想看看一个扩展的物体在你的镜头里是什么样子吗?
制图功能：投影光线角度或入射角、光迹、X、Y或Z坐标、SAG矢高、HOE频率、光栅频率、点列图、畸变、OPD、瞳孔形状、透射、偏振；整个视场或整个瞳孔；绘图或打印输出；数字或模拟形式；在两幅映射图之间的差异图。
这张图显示了波前击中一个表面后的针孔光束衍射。
衍射传输：检查系统中任何地方的高斯光束的强度分布，或者中间像中针孔的影响。用衍射图样绘制条纹的相位。
这里是用于抛物面镜的聚焦刀口测试仿真的屏幕显示。
用 SYNOPSYSTM 透镜。然后绘制所有零件的尺寸图。
工程选项：模拟表面或来自热分析或结构分析程序（如NASTRAN）的折射率位移的节点计算，点云表面Sag矢高在全局坐标等等。
交互特色：帮助文件（在线教程和用户手册），“即时帮助”，宏全屏编辑器，图形显示，拷贝输出，“SketchPAD”程序（镜头和图像的分屏显示：镜头Y-Z轮廓，透视绘图，近轴轮廓图，光线扇，OPD扇，光斑图，像散场曲曲线)“工作电子表格”程序（编辑屏幕上的镜头数据，图形更新；移动滑块以改变曲率、间距、弯曲或滑动元件；插入和移除表面和元件、翻转元件、具有空间间隔或隐藏表面的元件分裂）、可编程工具栏按钮即时管理最常见的任务，调整屏幕上的字体大小，调整绘图的笔宽，对话框窗口执行大多数优化和分析任务。用于编辑大多数系统和表面参数的电子表格对话框。箭头键用于返回最后20个命令。
人工智能功能特色：用于修改或者输出或检索镜头参数的自然语言输入，基于镜头数据文件的初始结构计算，基于镜头的像差校正对比与。随着任何镜头参数的变化，各种参数之间的图形随之变化；可以自定义命令。可以搜索供应商目录找到最匹配给定的镜头。
下面是AI特性可以做的一个例子。我们输入了英语语句“Plot back focus for wavelength = .4 to .8”，这是结果：
