最快的優(yōu)化算法

                                            SYNOPSYS?光學(xué)設(shè)計軟件

概述

隨著更好的加工成形和測量光學(xué)表面的方法變得可用，光學(xué)制造變 得越來越復(fù)雜。一個是“自由曲面”光學(xué)器件的出現(xiàn)，其由透鏡或反射鏡組成，其形狀不是關(guān)于器件中心軸向?qū)ΨQ。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，然后從該母體切割出所需的部分。更復(fù)雜的形狀可能涉及用冪級數(shù)，Zernike 或福布斯多項式描述的高階非球面項。隨著潮流轉(zhuǎn)移到這樣的系統(tǒng) ，能夠設(shè)計它們變得很重要。

SYNOPSYS提供了可以簡化該過程的FFBUILD功能。

設(shè)計簡圖

第一步是設(shè)計簡圖。這是一個有三個鏡子的例子，如圖 所示。

設(shè)置工作目錄

選擇Dbook工作目錄

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

優(yōu)化

點擊 打開FFBUILD（C43M1）

                                            在優(yōu)化之前由FFBUILD 返回的系統(tǒng)

初始優(yōu)化后的自由曲面反射系統(tǒng)

現(xiàn)在你必須釋放一些其他變量。慢慢改變系統(tǒng)是明智的，所以慢慢來。如果你走得太快，系統(tǒng)有時會跳到一個奇怪的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不是你現(xiàn)在所處的好地方。使用低階項控制低階像差，并在需要時保存更高的階數(shù)。通過刪除這些行上的'！'字符，刪除每個表面上G3到G10的變量之前的注釋字符（'！'）：

繼續(xù)改進(jìn)

然后運行MACro并退火（50,2,50）。MF下降了。現(xiàn)在釋放剩余的G變量并再次優(yōu)化。

波前差圖

是時候評估我們的位置了。轉(zhuǎn)到 MAP 對話框（MMA）并要求在對象點網(wǎng)格，對象點'CREC'，光線模式'CREC 9'，'顯示圓圈'，EANALOG 比例 0.01 和'執(zhí)行'上的波前差圖。結(jié)果如圖所示。

自由曲面鏡設(shè)計中最差視場點的衍射圖案

讓我們檢查一下結(jié)果。如 MAP分析所示，最差的視場點現(xiàn)在是GBAR 0.66。這是由 MDI 對話框創(chuàng)建的圖像，如圖所示：

三維圖

所有其他要點都更好。這是一個極好的設(shè)計。讓我們假設(shè)在這個應(yīng)用中，我們將使用一側(cè)具有10μm 像素的 CCD 陣列傳感器，因此這看起來很好。

您可以使用 RSOLID 獲得更好的視圖，該視圖僅顯示偏心 CAO 中的曲面部分。但是，首先應(yīng)該轉(zhuǎn)到邊緣向?qū)В∕EW），選擇“全部創(chuàng)建 Create All”，然后根據(jù) 需要調(diào)整鏡像厚度，就像在第40 章中所做的那樣。現(xiàn)在為鏡子分配了逼真的邊緣和厚度。然后創(chuàng)建一個 RSOLID 圖片，如圖所示。（鍵入MPE 并選擇該選項或單擊按鈕。 ）

                                                         RSOLID視圖的最終設(shè)計

自由反射鏡面的形狀，減去對稱項

您可以使用FreeForm 分析工具（FFA）查看產(chǎn)生的形狀。命令 FFA 2 0 RSAG SURF。

生成圖中的圖片，其中顯示了排除所有旋轉(zhuǎn)對稱項時的形狀。這可以告訴您表面2與對稱曲線的差異程度。

                                                  表面 2 上的自由反射鏡面的形狀，減去對稱項。

表面2上非對稱項的等高線圖

要查看輪廓，請鍵入FFA 2 0 RSAG CONTOUR。

                                                              表面2上非對稱項的等高線圖。

表面完整形狀的輪廓

實際表面的形狀由FFA 2 0 SAG CONTOUR 給出，如圖所示。它非常接近球形表面。以這種方式進(jìn)行，您可以查看所有鏡子的形狀。

                                                     表面2上非對稱項的等高線圖。

畸變圖

畸變怎么樣？GDR 請求也處理得很好。這是 GDIS 31 命令產(chǎn)生的圖片，如圖所示：

                                                    自由反射鏡面設(shè)計的網(wǎng)格畸變。

表面2 上的自由反射鏡面相對于參考球體的條紋圖案

還有一個問題是：如何測試這些鏡像？最簡單的方法是在干涉儀中對已知半徑的參考表面進(jìn)行雙程測試時觀察條紋。FFA 也可以證明這一點。以下是命令 FFA 2 0 RFRINGES的輸出，如圖所示：

                                               表面2 上的自由反射鏡面相對于參考球體的條紋圖案

總結(jié)

這就是如何使用這些高級工具設(shè)計自由曲面反射鏡面系統(tǒng)。計算機(jī)為您完成大部分工作。現(xiàn)在由您和加工廠進(jìn)行足夠的溝通，以便他們了解結(jié)果并正確地制作零件。以下是一些 指示：

1.在這個例子中，表面由 Zernike 項定義，如要求的那樣。變量 G 39 可以改變擴(kuò)展 的中心點，但我們在這里沒有使用該變量。雖然它有時是有用的，但擴(kuò)展的中心不會在頂 點，這是我們想要避免的復(fù)雜情況。表面的頂點也不在通光孔徑的中心，這是我們無法避 免的。所以在這里要小心。有兩個中心點需要考慮。此外，變量 G 51可以改變擴(kuò)展的y 尺度，這會扭曲 Zernike 區(qū)域并且有時可能有用。但是，除非確實有所作為，否則也應(yīng) 該避免這種情況。

2.將這些數(shù)據(jù)提供給加工廠時，請確保他們了解相關(guān)參數(shù)的坐標(biāo)系和位置。

3.查看 FFA 程序的其他功能。您可以在平行于 CAO 中心的曲面法線的曲面上創(chuàng)建 一個sag 面，這對于運行精密銑削設(shè)備的技術(shù)人員來說非常重要。

強(qiáng)大的功能是不是讓您躍躍欲試