离轴反射式光学系统面型选择及其优化 | SYNOPSYS 光学设计软件课程第67课

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根据现代光电信息技术对信息发送、接收、转换、传递与存储功能的特殊需求，光学面形可由不规则、复杂非对称的自由曲面随意组合而成。光学中的自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的曲面，主要是指任意非传统、非对称的曲面，以及微结构数组和参数向量表示的任何形状的曲面。

采用先进的数控超精密制造技术可直接加工出自自由曲面光学镜面，能达到亚微米量级面形精度与纳米量级的表面粗糙度。

自由曲面广泛的应用在以下领域：投影镜头、衍射光学器件、头盔式显示器、车灯反射面、LED 照明系统、汽车 HUD 抬头显示、离轴系统等等。

本文将在课程六十六中的自由曲面初始结构的基础上展示使用 SYNOPSYS 软件进行离轴反射式光学系统设计以及优化过程。

首先这里展示选取特殊面型作为反射镜的方式：以上次课程中的优化宏为例：

该系统物方参数设定为无限远物，视场角2w=4，入瞳半径为12，可见光波段下工作，系统单位为mm，且最终像面的大小为14*14mm，并且框选中的部分命令行表示第2、3、4反射镜采用的面型为ZERK（泽尼克面型）同样软件也提供了SPHERICAL / CONIC / ASPHERIC / ZERNIKE / USS NB 等面型作为选择项。

搜索宏文件

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搜索出初始结构用默认的优化宏进行一次优化得到课程六十六中的结构：

优化宏文件

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现在，像处于正确的位置，以及光线很好的经过所有的反射镜并且没有发生遮挡。可以查看现在的结构数据（对应查看课程六十六的系统数据）。

下一步就是对系统进行进一步的优化，使整个系统的成像质量达到更高的底部，在该系统中我们可以通过调整面型参数以及反射镜之间的相对位置来对我们的成像质量进行提升.

可以通过解除优化宏中对面型系数的注释，如下图所示：

将反射镜2与反射镜3的对应非球面系数的阶数开放至16阶后，执行优化退火：

可以观察到图像发生了变化，并可以通过查看非球面的详细数据的变化来验证优化宏起到的效果：

可以发现对应修改过优化宏的面型的系数增加到了第16阶，面型复杂程度增加了。

以上为通过解放非球面高阶系数从而进行优化的操作；

也可以通过下图的三个模块进行目的性的像质优化：
1、通过修改评价函数或视场不同的权重来进行控制
2、修改初始坐标位置或权重来从镜头结构的方向进行优化（优化中心遮拦等）

3、输入像质控制命令行来更直接的对像质进行优化

继续查看像质分析：

结构数据

基本参数

畸变（由优化前的0.5%到0.06%）

色差（光学系统由纯反射镜组成所以色差为0）

1视场标准点列图（RMS光斑尺寸由优化前的147um到1.6um）

至此，一个离轴反射式的光学系统的整个建模优化部分就完成了，本文仅仅是对第2、3反射镜面型进行了优化，读者可以自行评估生产加工能力后选择开启高阶系数进行优化，或也可以选择优化更多反射镜但不使用过高阶的系数进行优化达到一种生产能力与设计需求的平衡，也可以尝试文中其它的优化方式来达到设计目标，各位读者可以自行尝试对本文案例的搭建，也可以尝试自行设计出另外的结构进行尝试搭建，感谢阅读。