SYNOPSYS 光學設計軟體課程三十九：設計自由曲面反射系統

隨著更好的成形和測量光學表面的方法變得可用，光學製造變得越來越複雜。一個結果是「自由曲面」光學器件的出現，其由透鏡或反射鏡組成，其形狀不是關於部件頂點的軸對稱。一個簡單的例子是離軸拋物面，其中母體被拋光到所需的非球面形狀，然後從該母體切割出所需的部分。更複雜的形狀可能涉及用冪級數，Zernike或福布斯多項式描述的高階非球面項。隨著潮流轉移到這樣的系統，能夠設計它們變得很重要。

SYNOPSYS提供的特性可以簡化這個過程。閱讀幫助文件中的FFBUILD。在本節課中，我們假設您已經閱讀了這一章，我們將展示如何設計一個具有自由曲面反射系統。

第一步是列出我們所追求的粗略的幾何圖形。這裡有三個反射反射鏡的例子:

光將從表面1的左側進入，打到2,3和4的反射鏡，然後進入5處的圖像平面。這是FFBUILD的輸入：

FFBUILD SYSTEM ID EXAMPLE FFBUILD OBB 0 2 25 0 WAVL CDF UNI MM CFOV END

GEOM
2 MIRROR 0 0 140
3 MIRROR 0 40 30
4 MIRROR 0 40 120
5 IMAGE 0 -30 60 -10 10
END

SHAPES
2 ZERN
3 ZERN
4 ZERN
END

在這個例子中，反射鏡將被分配Zernike多項式，它接受多達36個係數，這些係數是表面上極坐標的函數。由於FFBUILD僅支持具有雙邊對稱性的設計，因此不會使用X中的非對稱術語。

以上輸入包含我們的部分要求：半視場角為2度，圓形，半孔徑為25毫米; 我們將繼續添加其他要求。但首先我們運行上面的輸入文件，它產生兩個結果：一個鏡像系統（目前有平面）和一個優化MACro，它包含了完善這個設計所需的大部分輸入。這是那個系統：

優化 MACro 很長，包含了Y和Z中鏡面的角度和全局位置的變數，以及鏡面上的Zernike係數的變數。但是，大多數變數都被注釋掉了，因為我們發現，如果您首先粗略地設計出只有半徑和角度變化的設計，然後根據需要逐漸添加其他變數，那麼這個過程會更好。這是 MACro 的一部分;綠色的行被注釋掉了。

PANT SKIP VY 2 YG VY 2 ZG VY 3 YG VY 3 ZG VY 4 YG VY 4 ZG VY 5 YG VY 5 ZG EOS VY 2 RAD ! VY 2 CC 10 -10 ! VY 2 G 2 ! VY 2 G 3 ! VY 2 G 4 ! VY 2 G 7 ! VY 2 G 8 ! VY 2 G 10 ! VY 2 G 11 ! VY 2 G 14 ! VY 2 G 15 ! VY 2 G 16 ! VY 2 G 19 ! VY 2 G 20 ! VY 2 G 23 ! VY 2 G 24 ! VY 2 G 26 ! VY 2 G 27 ! VY 2 G 30 ! VY 2 G 31 ! VY 2 G 34 ! VY 2 G 35 ! VY 2 G 36 ! VY 2 G 39 …

大多數文件由操作數組成，操作數將控制光束在反射鏡之間反射時的間隙。以下是該部分的一部分：

LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 1 0 1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 1 0 -1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR -1 0 1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR -1 0 -1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 0 0 1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 0 0 -1 0 1 3 S CAO 3 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 1 0 1 0 1 4 S CAO 4 LLL 1.0000 1 1.0000 A P CCLEAR 1 0 -1 0 1 4 S CAO 4

在該輸入中，程序已經在表面1和2之間的全視場上邊緣光線，與表面3相交的點與該表面的通光孔徑半徑（CAO）之間的差值上，指定了1mm的下限。結果，如果該交叉點落在該通光孔徑內，則評價函數會受到優化，但是如果光線通過該孔徑，則不會被優化。該程序還為反射鏡分配了DCCR表面屬性，因此，默認的通光孔徑是在子午面的光線所要求的極值點之間，而不是默認的頂點處。剩餘的CCLEAR條目控制每個反射鏡對和其他反射鏡之間的場的頂部和底部的上邊緣光線和下邊緣光線之間的間隙。有許多組合，它們都必須受到控制。

評價函數包含YZ平面中要求七個點的GNR和傾斜方向視場中的一個點（因為我們將CFOV指令放在SYSTEM文件中），並使用GDR請求控制X和Y中的畸變（因為我們在GEOM部分中的IMAGE行的詞6和7中放了一個所需圖像大小）。

GDR 0 1 4 P 0.100000E+02 -0.100000E+02

先運行這個MACro。這將初始設計逐步改進。運行後，系統開始看起來更合理。

像面處在在正確的位置，光束很好地形成了像

我們通過在全視場控制YA來間接指定焦距。控制FOCL本身並不是一個好主意，因為FOCL是一種近軸屬性，對於像這樣的摺疊系統沒有多大意義。我們想要的是圖像上上和下視場點之間的距離為20毫米。如上所述，程序通過GDR請求控制此操作。

我們的系統是粗的，而且圖像質量不是很好。理應設置其他一些變數。慢慢地改變這個系統是明智的，所以我們要慢慢優化。(如果你想改變的太快，系統有時會跳轉到一個奇怪的設計，而這個設計離你現在所處的好設計還很遠。)因此，我們通過刪除字裡行間的「!」來移除G2到G8變數表面的的注釋字元「!」。

VY 2 RAD ! VY 2 CC 10 -10 VY 2 G 2 VY 2 G 3 VY 2 G 4 VY 2 G 7 VY 2 G 8 ! VY 2 G 10 …

對錶面3和4執行相同操作，然後運行MACro並再次模擬退火。 MF下降了。釋放變數G 11到G 20並繼續。 MF下降到0.018。這是很明顯的進步。現在釋放剩餘的G變數以及圓錐常數CC，並在YG和ZG變數上注釋掉SKIP指令。（如果你自己運行這個工作，結果通常是不同的，因為退火階段將隨機性納入過程。但總體質量通常是相似的。）MF已降至0.011。非常好。

您可能想知道為什麼我們一開始就不讓CC變化。表面從平面開始，不能把圓錐常數賦給平面。所以我們要等到有了漂亮的曲面鏡後才能改變CC。現在評估我們目前的結果。轉到MAP對話框（MMA）並要求在物點網格，物點CREC，光線圖樣CREC 9，顯示圓圈，EANALOG比例1.0和執行的網格上繪製波前差的圖案。

波前在子午方向和傾斜方向上非常好，但在邊緣視場不太好。好吧，我們沒有糾正任何事情。所以我們再添加兩個GNR命令。

如果你在這一點上迷失了方向，，這是AANT文件的相關部分：

GNR 0 1 4 P 0 GNR 0 1 4 P 1 GNR 0 1 4 P -1 GNR 0 1 4 P .7 GNR 0 1 4 P -.7 GNR 0 1 4 P .3 GNR 0 1 4 P -.3 GNR 0 1 4 P 0 1 0 F GNR 0 1 4 P .7 .7 0 F GNR 0 1 4 P -.7 .7 0 F

最後兩行控制有問題的傾斜視場點。我們運行它並模擬退火，現在MAP顯示波像差分布更均勻。（注意比例變化。）

好的，我們快要完成了。現在我們需要直接控制OPD。我們複製所有GNR行並在它們下面粘貼一份副本。然後我們將新行中的GNR更改為GNO。這將糾正OPD而不是橫向色差。我們還將這些行的權重更改為0.1而不是1.0。（一個波長的OPD遠優於1毫米的彌散斑。）波前差稍微好了一點，但邊緣視場角仍然需要注意。我們將GNO的權重增加到0.2。以這種方式進行，我們調整那些顯示最大方差的場點的權重，並保持優化和退火。我們讓這些目標和權重取得了很好的平衡：

GNR 0 1 4 P 0 GNR 0 1 4 P 1 GNR 0 1 4 P -1 GNR 0 1 4 P .7 GNR 0 1 4 P -.7 GNR 0 1 4 P .3 GNR 0 1 4 P -.3 GNR 0 1 4 P 0 1 0 F GNR 0 1 4 P .7 .7 0 F GNR 0 1 4 P -.7 .7 0 F

GNO 0 .2 5 P 0
GNO 0 .2 5 P 1
GNO 0 .2 5 P -1
GNO 0 .1 5 P .7
GNO 0 .1 5 P -.7
GNO 0 .1 5 P .3
GNO 0 .1 5 P -.3
GNO 0 .2 5 P 0 1 0 F GNO 0 .2 5 P .7 .7 0 F
GNO 0 .2 5 P -.7 .7 0 F

我們還將GNO請求的網格數更改為5而不是4。

我們來看看結果。最差的視場點是GBAR 0.33。這是由MDI對話框創建的圖像