SYNOPSYS 提供可以簡化設計自由曲面的過程。閱讀幫助文件中的 FFBUILD。我們將展示如何設計一個具有自由曲面的反射系統。

第一步是初略的列出幾何圖形。這里有一個離軸三反鏡的例子:

光將從表面1的左側進入，打到 2,3 和 4 的反射鏡，然后進入 5 處的像面。這是 FFBUILD 的輸入：

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

在這個例子中，反射鏡將被分配 Zernike 多項式，它接受多達 36 個系數，這些系數是表面上極坐標的函數。由于 FFBUILD 僅支持具有雙邊對稱性的設計，因此不會使用 X 中的非對稱項。

以上輸入包含：圓形半視場角為 2 度，半孔徑為 25 毫米。我們運行上面的輸入文件，它將產生兩個結果：一個鏡像系統（目前有平面）和一個優化 MACro，它包含了完善這個設計所需的大部分輸入。系統如下：

優化 MACro 的命令行很長，包含了 Y 和 Z 中鏡面的角度和全局位置的變量，以及鏡面上的 Zernike 系數的變量。但是，大多數變量都被注釋掉了，因為我們發現，如果首先粗略地設計出只有半徑和角度變化的設計，然后根據需要逐漸添加其他變量，那么這個過程會更好。這是 MACro 的一部分;綠色的命令行表示被注釋掉了。

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

...

大多數命令由操作數組成，操作數將控制光束在反射鏡之間反射時的間隙。以下是該部分的一部分：

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

在該輸入中，程序已經在表面 1 和 2 之間的全視場上邊緣光線，與表面 3 相交的點與該表面的通光孔徑半徑（CAO）之間的差值上，指定了 1mm 的下限。結果，如果該交叉點落在該通光孔徑內，則評價函數會受到優化，但是如果光線通過該孔徑，則不會被優化。該程序還為反射鏡分配了 DCCR 表面屬性，因此，默認的通光孔徑是在子午面的光線所要求的極值點之間，而不是默認的頂點處。剩余的 CCLEAR 項控制每個反射鏡對和其他反射鏡之間的視場頂部和底部的上邊緣光線和下邊緣光線之間的間隙。有許多組合，它們都必須受到控制。

評價函數包含 YZ 平面中要求七個點的 GNR 和傾斜方向視場中的一個點（因為我們將 CFOV 指令放在 SYSTEM 文件中），并使用 GDR 控制 X 和 Y 方向上的畸變（因為我們在 GEOM 部分中的 IMAGE 行的詞 6 和 7 中放了一個所需圖像大小的數據）。

運行這個 MACro。會將初始設計逐步改進。運行后，系統看起來更合理。

像面處在在正確的位置，光束很好地形成了像。

我們通過在全視場控制 YA 來間接指定焦距?？刂?FOCL 本身并不是一個好主意，因為 FOCL 是一種近軸屬性，對于這樣的折疊系統沒有多大意義。我們想要的是在圖像上和下視場點之間的距離為 20 毫米。如上所述，程序通過 GDR 控制此操作。

我們的系統目前還不太好。理應設置其他一些變量。慢慢地改變這個系統才是明智的，所以我們要逐步優化。因此，我們通過刪除命令行前的 “!” 先移除 G3 到 G10 變量表面的的注釋字符 “!”。

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

...

對表面 3 和 4 執行相同操作，然后運行 MACro 并再次模擬退火。評價函數下降了。接下來繼續釋放變量 G 11 到 G 20。評價函數下降到 0.00018。這是很明顯的進步。在 YG 和 ZG 變量上注釋掉 SKIP 指令。（如果您自己運行這個操作，結果通常有所不同，因為模擬退火階段將隨機性納入過程。但總體質量通常是相似的。） 結果非常好。

您可能想知道為什么我們一開始就不讓 CC 變化.表面從平面開始，不能把圓錐常數賦給平面?，F在評估我們目前的結果。轉到 MAP 對話框（MMA）并要求在物點網格，物點CREC，光線圖樣 CREC 9，顯示圓圈，EANALOG 比例 1.0 和執行的網格上繪制波前差的圖案。

波前在子午方向和弧矢方向上非常好，但在邊緣視場不太好。所以我們再添加兩個 GNR 命令來對邊緣視場進行優化。

這是 AANT 文件的相關部分：

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

最后兩行控制有問題的傾斜視場點。我們運行它并模擬退火，現在 MAP 顯示波像差分布更均勻。（注意比例變化。）

現在我們需要直接控制 OPD。我們復制所有 GNR 行并在它們下面粘貼一份副本。然后我們將新命令行中的 GNR 更改為 GNO。這將糾正 OPD 而不是橫向色差。我們還將這些命令行的權重更改為 0.1 而不是 1.0。（一個波長的 OPD 遠優于 1 毫米的彌散斑。）波前差稍微好了一點，但邊緣視場角仍然需要注意。我們將 GNO 的權重增加到 0.2。以這種方式進行，我們調整那些顯示最大方差的視場點的權重，并保持優化和模擬退火。我們讓這些目標和權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

GNO 0 .2 5 P -1

GNO 0 .1 5 P .7

GNO 0 .1 5 P -.7

GNO 0 .1 5 P .3

GNO 0 .1 5 P -.3

GNO 0 .2 5 P 0 1 0 F

GNO 0 .2 5 P .7 .7 0 F

GNO 0 .2 5 P -.7 .7 0 F

另外我們還將 GNO 設置的網格數更改為5而不是4。

我們來看看結果。最差的視場點是 GBAR 0.33。結果圖由 MDI 對話框創建的圖像。

所有其他的點都很好。這是個不錯的設計。讓我們假設這個應用程序，我們將使用一個 CCD 陣列傳感器，像素為 10 微米，這看起來很好。

您可以從 RSOLID 得到更好的視圖，它只顯示去中心 CAO 內部的部分表面。但首先，我們進入邊緣向導 (MEW)，選擇創建全部，并根據需要調整鏡像的厚度?，F在反射鏡被賦予了真實的邊緣和厚度。然后我們創建一個 RSOLID 圖片：

在 CW 中輸入 MPE，進行如下設置：（或點擊按鈕）

我們的自由曲面反射系統設計完成。

現在我們可以看看產生的形狀。請輸入以下命令 FFA 2 0 RSAG SURF

生成下面的圖片，顯示實際形狀和基本對稱形狀之間的差異：

要查看輪廓，我們使用 FFA 2 0 RSAG CONTOUR

實際表面的形狀由命令 FFA 2 0 SAG CONTOUR給出：

以這種方式進行，我們可以看看所有反射鏡的形狀。

畸變怎么樣？GDR 請求也很好地處理了。這是命令 GDIS 31 的圖片。一點也不差。

還有一個問題是：如何測試這些反射鏡？最簡單的方法是在干涉儀中針對已知半徑的參考波前進行測試時觀察條紋。FFA 也可以證明這一點。以下是命令

FFA 2 0 RFRINGES 的輸出：

如果您看到這種條紋斑圖，代表反射鏡是完美的。
這就是人們如何使用高級工具設計自由形式的鏡像系統。計算機為您完成大部分工作。
    現在由您和加工廠進行足夠的溝通，以便他們了解結果并正確地制作零件。以下是一些指示：

1.在本例中，表面 4是按照我們的要求由 Zernike 項定義的。變量 G36 改變了擴張的中心點——因此它不在頂點。而后者也不在通光孔徑的中心。有三個中心點需要考慮。

2.在將這些數據呈現給加工廠時，請確保它們理解相關參數的坐標系統和位置。

查看 FFA 的其他功能。您可以在曲面上創建一個矢高表，這對于運行精密銑削設備的技術人員來說非常重要。

掃碼添加工作人員

還可領取文章中學習文檔及視頻講解