SYNOPSYS 光学设计软件课程六十六：离轴反射式光学系统初始结构设计

dannie

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。


本文将展示使用 SYNOPSYS 软件进行离轴反射式光学系统初始结构的设计。
第一步是绘制设计简图。

这是一个有三个反射镜的例子，如下图所示。光线从表面1的左侧进入，依次经过位于2,3,4处的反射镜，然后进入5处的像面。

初步构建出光学系统的结构后，便可以上图视角建立以表面1中心位置为原点o，x方向坐标均为0的yoz平面坐标系，得到大致的2、3、4、4处反射镜以及像面的平面坐标：第2反射镜：（0,0,140）第3反射镜：（0,40,30）第4反射镜：（0,40,120）第5反射镜：（0,-30,60）根据格式编写以下FFBUILD 初始结构搜索宏文件：

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。运行该宏文件得到光学系统初始结构：



可以发现初始结构上各反射镜的位置与构想的位置较为接近，但是系统并没有聚焦，所以我们使用搜索初始结构自动生成的优化宏对该结构进行一次初步的优化：






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可以发现初始结构形状已经发生了变化：

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：
结构数据：



基本参数：

畸变：



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：

至此，一个离轴反射式的光学系统的初始结构就搭建完毕了，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，后续课程中将会继续对该类光学系统的面型选择以及优化进行讲解，感谢阅读。