反射式光學系統設計的案例
離軸反射式光學系統面型選擇及其優化 | SYNOPSYS 光學設計軟件課程第67課
wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" alt="圖片"></strong></p><p><strong> </strong></p><p><strong>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。</strong></p><p><br></p>
展開 SYNOPSYS光學設計軟件課程六十六：離軸反射式光學系統初始結構設計
<p>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。</p><p><br></p><p>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。</p><p><br></p><p>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。</p><p><br></p><p>本文將展示使用synopsys軟件進行離軸反射式光學系統初始結構的設計</p><p><br></p><p>第一步是繪制設計簡圖。</p><p><br></p><p>這是一個有三個反射鏡的例子，如下圖所示。光線從表面1的左側進入，依次經過位于2,3,4處的反射鏡，然后進入5處的像面。
展開 反射式光刻物鏡設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第79課
一．概述
隨著光刻分辨率的不斷提高，光學光刻機中采用的投影物鏡結構型式經歷了演變和篩選過程。在早期的低分辨率光刻機中，全反射型、全折射型、折反射型多種結構型式并存：在目前的高分辨率光刻機中，全折射式結構型式是主流。
與全折射式結構型式相比，折反射式結構的投影物鏡具有許多優越的光學性能，但其在光刻機中的真正使用尚需克服許多技術問題。在現代高分辨率光學光刻機中，投影物鏡的結構型式大致分為兩類：全折射型和折反射型。
全折射型投影物鏡是指只含有透鏡的投影物鏡，而折反射型投影物鏡則是同時含有透鏡和反射鏡的投影物鏡。
二．SYNOPSYS自由曲面設計功能
受限于EUV（極紫外光）使用的波長為13.5nm，由于該波段的光幾乎沒有光學材料可以透過，因此為了使用更短的波長，此類光刻物鏡只能采用完全反射式進行設計。
SYNOPSYS的自由曲面設計功能可以非常方便快捷地設計自由曲面反射式光學系統。
只需要輸入每個反射鏡的初始位置、形狀，以及系統的物方參數和像方要求，此功能會自動生成對應的優化文件和初始結構。
宏文件和鏡頭文件
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三.反射式光刻物鏡優化結果
得到優化的宏文件
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調整優化宏，進一步優化反射鏡的形狀以達到更好的成像質量。額外的質量要求都可以在優化文件內按需要增加或調整。
對應鏡頭文件
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軟件自動優化功能，會自動將反射鏡的位置優化匹配到不會影響光線軌跡的情況。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十九：設計自由曲面反射系統
課程三十九：設計自由曲面反射系統
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。
展開 
SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十九：設計自由曲面反射系統
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處的圖像平面。這是FFBUILD的輸入：
FFBUILD
SYSTEM
ID EXAMPLE FFBUILD
OBB 0 2 25 0
WL 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 -10 10
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，如果您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;綠色的命令行被注釋掉了。
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
展開 OCAD應用：單反射鏡掃描光學系統初始結構設計
圖1.帶有端部反射鏡及保護玻璃的單反射鏡掃描系統示意圖
單反射鏡掃描光學系統往往多設在光學系統端部用以掃描物方視場，故有常稱端部反射鏡。由于具有單次反射面的反射棱鏡也具有反射鏡的功能，也經常使用這類棱鏡作為掃描元件，這類棱鏡被稱作端部棱鏡。
具有端部反射鏡（棱鏡）及保護玻璃的掃描光學系統，由于其端部反射鏡（棱鏡）是個運動部件，其前保護玻璃可能是三維傾斜的，因此不易計算他們的外形尺寸。為此本程序包含了這個小部件的外形尺寸計算功能。在選擇“設計”菜單中的“端部反射鏡及保護玻璃”后，會出現一個小窗體。窗體上要求填寫有關端部反射鏡、保護玻璃以及系統性能的一些數據。填寫完畢，選擇工具條上確定按鈕，然后就能自動計算幷畫出這一小部件的圖形，同時還可以在菜單上選擇反射鏡運動效果圖如圖2。
圖2.端部反射鏡及保護玻璃的設計窗體
圖3.端部反射鏡及保護玻璃的設計圖示意圖
展開 打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉換式斷續變焦系統可以通過多組可打入組分輪番打入（打出）獲得多個變焦倍率。
1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一后排列也可以。
A) 會聚光路中打入型變焦系統設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
圖1.會聚光路中打入式工作原理圖（一）
另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，這兩組的焦距也不難求解，計算方法簡單。
圖2.會聚光路中打入式工作原理圖（二）
打入式斷續變焦光學系統的設計界面如下圖所示。
展開 模擬透射式體全息光柵拉曼光譜儀分光系統設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第76課
參考文獻：
[1]何振磊,盧啟鵬,丁海泉,高洪智.透射式體全息光柵拉曼光譜儀分光系統設計
[2][J].激光與光電子學進展,2015,52(12):214-220.
OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
設計出帶反射棱鏡的和不帶反射棱鏡的設計結果光學系統示意圖如下圖所示。
圖8.平行光路中單變焦組打入式自動設計界面
圖9.平行光路中單變焦組打入式自動設計結果結構示意圖
2. 多重轉換式斷續變焦系統設計
多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉換型的活動組可以放置在會聚光路中也可以在平行光路中。選擇在平行光路中，可利用活動組的無焦性來回倒置獲得放大縮小兩種不同變焦效果。
圖10.多組轉換型變焦系統結構示意圖
圖11.多組轉換型變焦系統結構展開示意圖
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OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
A) 會聚光路中打入型變焦系統設計
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一后排列也可以。
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。
展開 Ansys Zemax光學設計軟件技術教程：光學系統設計中如何使用玻璃替換方法
通過使用玻璃替換模板，您可以確保選擇的玻璃不僅僅符合光學標準，還符合其他重要標準。光研科技南京有限公司是國內可靠的Ansys Zemax光學設計軟件代理商！公司已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的相關產品和服務，在行業內建立了值得信任的口碑。
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SYNOPSYS 光學設計軟件課程二十七：理解冷反射效應
SYNOPSYS 光學設計軟件課程二十七：理解冷反射效應
夜視系統可以在完全黑暗中看到圖像。因為宇宙中的所有物質都以光子的形式輻射能量，在理想黑體輻射的情況下遵循普朗克函數，或者近似該函數。由于您的皮膚接近20攝氏度，您可以根據光譜向導SpectrumWizard計算的下圖所示的曲線設置輻射。注意峰值約為10微米。（鍵入MSW以打開向導。）
夜視系統通過將紅外光轉換為探測器能夠感知的輻射。常見的材料是HgCdTe，其具有如下所示的光譜靈敏度（該圖來自Wolfe和Zissis的The Infrared Handbook。精確的靈敏度范圍取決于成分的相對比例）。光源，環境和探測器都能在所需的光譜窗口內正常工作。
為了獲得高信噪比，必須確保光學器件，甚至探測器本身不會在相同波長下輻射不需要的光通量。 這是通過將檢測器冷卻到非常低的溫度（通常使用液氮）并在鏡片表面上使用高質量的抗反射涂層來實現的。如果不采取這些步驟，情況類似于您通過望遠鏡觀察到的情況，其中鏡頭和外殼都是白熱的：很難看清您正在觀察的內容。
這就是所謂的“冷反射”效應，它在掃描紅外系統中顯示為圖像中心的黑色模糊斑：
出現這種效果是因為在視場的中心，探測器可以看到自身的鬼像，從某處的透鏡表面反射而來。 這個影像很暗 - 因為探測器非常暗 - 因此探測器看到的總背景信號在中心處低于在視場的其他部分，其中鬼像被其他鏡片孔徑漸暈，掃描 離開視場，或者因為它不能形成清晰的圖像。
為了說明這種效果并展示如何控制它，我們將使用SYNOPSYS?中的鏡頭。在CW中鍵入FETCH X12。打開X12.RLE文件
這是一個紅外系統，設計用于8到13微米的波段，使用AFOCAL模式，這意味著光線輸出是以角度給出的，最后兩個表面是平坦的，重合的虛擬面。
展開 第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
所得到的組合后的二維圖如下：
將光闌放置在冷光闌位置，控制系統焦距，對鏡片形狀進行優化，逐步增加視場角，從而獲取到一個視場角滿足要求的光學系統初始結構，隨后，我們通過增加非球面鏡片，控制總長為180，進一步優化光學系統。優化后的光學系統結構圖如下所示：
MTF如下圖：
圖13.系統MTF曲線圖
然后再做無熱化設計。設置三重組態，將材料設置為hammer，優化玻璃。最終的二維如下圖所示。
20℃MTF
-40℃MTF
60℃MTF
畸變圖
最后，有相關需求，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
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