SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统

墨光科技 2023年9月12日浏览：1282

课程三十九：设计自由曲面反射系统

SYNOPSYS 提供可以简化设计自由曲面的过程。阅读帮助文件中的 FFBUILD。我们将展示如何设计一个具有自由曲面的反射系统。

第一步是初略的列出几何图形。这里有一个离轴三反镜的例子:

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图1

光将从表面1的左侧进入，打到 2,3 和 4 的反射镜，然后进入 5 处的像面。这是 FFBUILD 的输入：

FFBUILD

SYSTEM

ID EXAMPLE FFBUILD

OBB 0 2 12 2 2

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 -7 7

END

SHAPES

2 ZERN

3 ZERN

4 ZERN

END

在这个例子中，反射镜将被分配 Zernike 多项式，它接受多达 36 个系数，这些系数是表面上极坐标的函数。由于 FFBUILD 仅支持具有双边对称性的设计，因此不会使用 X 中的非对称项。

以上输入包含：圆形半视场角为 2 度，半孔径为 25 毫米。我们运行上面的输入文件，它将产生两个结果：一个镜像系统（目前有平面）和一个优化 MACro，它包含了完善这个设计所需的大部分输入。系统如下：

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图2

优化 MACro 的命令行很长，包含了 Y 和 Z 中镜面的角度和全局位置的变量，以及镜面上的 Zernike 系数的变量。但是，大多数变量都被注释掉了，因为我们发现，如果首先粗略地设计出只有半径和角度变化的设计，然后根据需要逐渐添加其他变量，那么这个过程会更好。这是 MACro 的一部分;绿色的命令行表示被注释掉了。

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 AG

VY 3 AG

VY 4 AG

VY 5 AG

VY 2 RAD

! VY 2 CC 10 -10

! 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

...

大多数命令由操作数组成，操作数将控制光束在反射镜之间反射时的间隙。以下是该部分的一部分：

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR 1 0 1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR 1 0 -1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR -1 0 1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR -1 0 -1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 10.0000 1.0000

A P CCLEAR 0 0 1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 10.0000 1.0000

A P CCLEAR 0 0 -1 0 1 3

S CAO 3

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR 1 0 1 0 1 4

S CAO 4

LLL 1.0000 1.0000 1.0000

A P CCLEAR 1 0 -1 0 1 4

在该输入中，程序已经在表面 1 和 2 之间的全视场上边缘光线，与表面 3 相交的点与该表面的通光孔径半径（CAO）之间的差值上，指定了 1mm 的下限。结果，如果该交叉点落在该通光孔径内，则评价函数会受到优化，但是如果光线通过该孔径，则不会被优化。该程序还为反射镜分配了 DCCR 表面属性，因此，默认的通光孔径是在子午面的光线所要求的极值点之间，而不是默认的顶点处。剩余的 CCLEAR 项控制每个反射镜对和其他反射镜之间的视场顶部和底部的上边缘光线和下边缘光线之间的间隙。有许多组合，它们都必须受到控制。

评价函数包含 YZ 平面中要求七个点的 GNR 和倾斜方向视场中的一个点（因为我们将 CFOV 指令放在 SYSTEM 文件中），并使用 GDR 控制 X 和 Y 方向上的畸变（因为我们在 GEOM 部分中的 IMAGE 行的词 6 和 7 中放了一个所需图像大小的数据）。

运行这个 MACro。会将初始设计逐步改进。运行后，系统看起来更合理。

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图3

像面处在在正确的位置，光束很好地形成了像。

我们通过在全视场控制 YA 来间接指定焦距。控制 FOCL 本身并不是一个好主意，因为 FOCL 是一种近轴属性，对于这样的折叠系统没有多大意义。我们想要的是在图像上和下视场点之间的距离为 20 毫米。如上所述，程序通过 GDR 控制此操作。

我们的系统目前还不太好。理应设置其他一些变量。慢慢地改变这个系统才是明智的，所以我们要逐步优化。因此，我们通过删除命令行前的 “!” 先移除 G3 到 G10 变量表面的的注释字符 “!”。

VY 2 RAD

! VY 2 CC 10 -10

VY 2 G 3

VY 2 G 4

VY 2 G 7

VY 2 G 8

VY 2 G 10

! VY 2 G 11

...

对表面 3 和 4 执行相同操作，然后运行 MACro 并再次模拟退火。评价函数下降了。接下来继续释放变量 G 11 到 G 20。评价函数下降到 0.00018。这是很明显的进步。在 YG 和 ZG 变量上注释掉 SKIP 指令。（如果您自己运行这个操作，结果通常有所不同，因为模拟退火阶段将随机性纳入过程。但总体质量通常是相似的。）结果非常好。

您可能想知道为什么我们一开始就不让 CC 变化.表面从平面开始，不能把圆锥常数赋给平面。现在评估我们目前的结果。转到 MAP 对话框（MMA）并要求在物点网格，物点CREC，光线图样 CREC 9，显示圆圈，EANALOG 比例 1.0 和执行的网格上绘制波前差的图案。

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图4

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图5

波前在子午方向和弧矢方向上非常好，但在边缘视场不太好。所以我们再添加两个 GNR 命令来对边缘视场进行优化。

这是 AANT 文件的相关部分：

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 .707 .707 0 F

GNR 0 1 4 P -.707 .707 0 F

最后两行控制有问题的倾斜视场点。我们运行它并模拟退火，现在 MAP 显示波像差分布更均匀。（注意比例变化。）

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十九：设计自由曲面反射系统的图6

现在我们需要直接控制 OPD。我们复制所有 GNR 行并在它们下面粘贴一份副本。然后我们将新命令行中的 GNR 更改为 GNO。这将纠正 OPD 而不是横向色差。我们还将这些命令行的权重更改为 0.1 而不是 1.0。（一个波长的 OPD 远优于 1 毫米的弥散斑。）波前差稍微好了一点，但边缘视场角仍然需要注意。我们将 GNO 的权重增加到 0.2。以这种方式进行，我们调整那些显示最大方差的视场点的权重，并保持优化和模拟退火。我们让这些目标和权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