根據現代光電信息技術對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需求，光學面形可由不規則、復雜非對稱的自由曲面隨意組合而成。光學中的自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的曲面，主要是指任意非傳統、非對稱的曲面，以及微結構數組和參數向量表示的任何形狀的曲面。

 

采用先進的數控超精密制造技術可直接加工出自自由曲面光學鏡面，能達到亞微米量級面形精度與納米量級的表面粗糙度。

 

自由曲面廣泛的應用在以下領域：投影鏡頭、衍射光學器件、頭盔式顯示器、車燈反射面、LED 照明系統、汽車 HUD 抬頭顯示、離軸系統等等。

 

本文將在課程六十六中的自由曲面初始結構的基礎上展示使用 SYNOPSYS 軟件進行離軸反射式光學系統設計以及優化過程。

 

首先這里展示選取特殊面型作為反射鏡的方式：以上次課程中的優化宏為例： 

 

該系統物方參數設定為無限遠物，視場角2w=4，入瞳半徑為12，可見光波段下工作，系統單位為mm，且最終像面的大小為14*14mm，并且框選中的部分命令行表示第2、3、4反射鏡采用的面型為ZERK（澤尼克面型）同樣軟件也提供了SPHERICAL / CONIC / ASPHERIC / ZERNIKE / USS NB 等面型作為選擇項。

搜索宏文件

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搜索出初始結構用默認的優化宏進行一次優化得到課程六十六中的結構：

優化宏文件

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現在，像處于正確的位置，以及光線很好的經過所有的反射鏡并且沒有發生遮擋。可以查看現在的結構數據（對應查看課程六十六的系統數據）。

 

下一步就是對系統進行進一步的優化，使整個系統的成像質量達到更高的底部，在該系統中我們可以通過調整面型參數以及反射鏡之間的相對位置來對我們的成像質量進行提升.

可以通過解除優化宏中對面型系數的注釋，如下圖所示：

 

 

將反射鏡2與反射鏡3的對應非球面系數的階數開放至16階后，執行優化退火：

 

可以觀察到圖像發生了變化，并可以通過查看非球面的詳細數據的變化來驗證優化宏起到的效果： 

 

可以發現對應修改過優化宏的面型的系數增加到了第16階，面型復雜程度增加了。

以上為通過解放非球面高階系數從而進行優化的操作；

 

也可以通過下圖的三個模塊進行目的性的像質優化：

1、通過修改評價函數或視場不同的權重來進行控制

2、修改初始坐標位置或權重來從鏡頭結構的方向進行優化（優化中心遮攔等）

3、輸入像質控制命令行來更直接的對像質進行優化

 

繼續查看像質分析：

結構數據

基本參數

 

畸變（由優化前的0.5%到0.06%）

 

色差（光學系統由純反射鏡組成所以色差為0）

 

1視場標準點列圖（RMS光斑尺寸由優化前的147um到1.6um）

 

至此，一個離軸反射式的光學系統的整個建模優化部分就完成了，本文僅僅是對第2、3反射鏡面型進行了優化，讀者可以自行評估生產加工能力后選擇開啟高階系數進行優化，或也可以選擇優化更多反射鏡但不使用過高階的系數進行優化達到一種生產能力與設計需求的平衡，也可以嘗試文中其它的優化方式來達到設計目標，各位讀者可以自行嘗試對本文案例的搭建，也可以嘗試自行設計出另外的結構進行嘗試搭建，感謝閱讀。