每天一例 | SYNOPSYS™设计自由曲面反射系统

概述

随着更好的加工成形和测量光学表面的方法变得可用，光学制造变 得越来越复杂。一个是“自由曲面”光学器件的出现，其由透镜或反射镜组成，其形状不是关于器件中心轴向对称。一个简单的例子是离轴抛物面，其中母体被抛光到所需的非球面形状，然后从该母体切割出所需的部分。更复杂的形状可能涉及用幂级数，Zernike 或福布斯多项式描述的高阶非球面项。随着潮流转移到这样的系统 ，能够设计它们变得很重要。

SYNOPSYS提供了可以简化该过程的FFBUILD功能。

设计简图

第一步是设计简图。这是一个有三个镜子的例子，如图 所示。

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参考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第43章

优化

点击 打开FFBUILD（C43M1）

在优化之前由FFBUILD 返回的系统

初始优化后的自由曲面反射系统

现在你必须释放一些其他变量。慢慢改变系统是明智的，所以慢慢来。如果你走得太快，系统有时会跳到一个奇怪的结构，这个结构远不是你现在所处的好地方。使用低阶项控制低阶像差，并在需要时保存更高的阶数。通过删除这些行上的'！'字符，删除每个表面上G3到G10的变量之前的注释字符（'！'）：

继续改进

然后运行MACro并退火（50,2,50）。MF下降了。现在释放剩余的G变量并再次优化。

波前差图

是时候评估我们的位置了。转到 MAP 对话框（MMA）并要求在对象点网格，对象点'CREC'，光线模式'CREC 9'，'显示圆圈'，EANALOG 比例 0.01 和'执行'上的波前差图。结果如图所示。

自由曲面镜设计中最差视场点的衍射图案

让我们检查一下结果。如 MAP分析所示，最差的视场点现在是GBAR 0.66。这是由 MDI 对话框创建的图像，如图所示：

三维图

所有其他要点都更好。这是一个极好的设计。让我们假设在这个应用中，我们将使用一侧具有10μm 像素的 CCD 阵列传感器，因此这看起来很好。

您可以使用 RSOLID 获得更好的视图，该视图仅显示偏心 CAO 中的曲面部分。但是，首先应该转到边缘向导（MEW），选择“全部创建 Create All”，然后根据 需要调整镜像厚度，就像在第40 章中所做的那样。现在为镜子分配了逼真的边缘和厚度。然后创建一个 RSOLID 图片，如图所示。（键入MPE 并选择该选项或单击按钮。 ）

RSOLID视图的最终设计

自由反射镜面的形状，减去对称项

您可以使用FreeForm 分析工具（FFA）查看产生的形状。命令 FFA 2 0 RSAG SURF。

生成图中的图片，其中显示了排除所有旋转对称项时的形状。这可以告诉您表面2与对称曲线的差异程度。

表面 2 上的自由反射镜面的形状，减去对称项。

表面2上非对称项的等高线图

要查看轮廓，请键入FFA 2 0 RSAG CONTOUR。

表面2上非对称项的等高线图。

表面完整形状的轮廓

实际表面的形状由FFA 2 0 SAG CONTOUR 给出，如图所示。它非常接近球形表面。以这种方式进行，您可以查看所有镜子的形状。

表面2上非对称项的等高线图。

畸变图

畸变怎么样？GDR 请求也处理得很好。这是 GDIS 31 命令产生的图片，如图所示：

自由反射镜面设计的网格畸变。

表面2 上的自由反射镜面相对于参考球体的条纹图案

还有一个问题是：如何测试这些镜像？最简单的方法是在干涉仪中对已知半径的参考表面进行双程测试时观察条纹。FFA 也可以证明这一点。以下是命令 FFA 2 0 RFRINGES的输出，如图所示：

表面2 上的自由反射镜面相对于参考球体的条纹图案

总结

这就是如何使用这些高级工具设计自由曲面反射镜面系统。计算机为您完成大部分工作。现在由您和加工厂进行足够的沟通，以便他们了解结果并正确地制作零件。以下是一些 指示：

1.在这个例子中，表面由 Zernike 项定义，如要求的那样。变量 G 39 可以改变扩展 的中心点，但我们在这里没有使用该变量。虽然它有时是有用的，但扩展的中心不会在顶 点，这是我们想要避免的复杂情况。表面的顶点也不在通光孔径的中心，这是我们无法避 免的。所以在这里要小心。有两个中心点需要考虑。此外，变量 G 51可以改变扩展的y 尺度，这会扭曲 Zernike 区域并且有时可能有用。但是，除非确实有所作为，否则也应 该避免这种情况。

2.将这些数据提供给加工厂时，请确保他们了解相关参数的坐标系和位置。

3.查看 FFA 程序的其他功能。您可以在平行于 CAO 中心的曲面法线的曲面上创建 一个sag 面，这对于运行精密铣削设备的技术人员来说非常重要。