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用於自由曲面设计的五大CODE V工具
 

【作者: Matt Novak】2022年07月29日 星期五

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使用更少的表面,校正更多的像差,并且要以更紧凑的结构,适应从小型医疗仪器到可穿戴AR装置的各种系统,这是今天的光学设计人员经常需要面对的需求。使用更少的表面,校正更多的像差,并且要以更紧凑的结构,适应从小型医疗仪器到可穿戴AR装置的各种系统,这是今天的光学设计人员经常需要面对的需求。


在系统中包含多个折叠的表面或者复杂的光路限制时,建立具有多个折射或反射面的紧凑型结构将会是一项具有挑战性的任务。为了帮助完成这类设计工作,CODE V提供了许多独特而又强大的自由曲面设计和最隹化工具。


如果您正在进行自由曲面光学设计,请查看CODE V中可以帮助完成设计最隹化和分析的五大工具。


1.Q2D自由曲面

CODE V中的Q2D自由曲面是用於最隹化的得力工具,它提供的正交多项式在许多情况下能够平滑收敛。对於有些设计,您可能会发现Q-type多项式非球面能够更快地收敛到一个好的解,这是因为在设计空间中平衡像差时正交性会避免各项之间的竞争。另外,CODE V还提供一个特别的功能,可以设定表面的使用区域相对於叁考二次曲面顶点的几何位置。



图一 : 使用Q2D自由曲面的非对称设计,全部为反射面
图一 : 使用Q2D自由曲面的非对称设计,全部为反射面

2.非球面与叁考二次曲面偏离量的建模方式

对於CODE V中的部分自由曲面,现在支援2种方法用来对非球面偏离基底圆锥面建立模型。第一种方式比较特别,允许设定离轴角叁数 omega,表示要使用的圆锥曲面区域的离轴程度。表面区域座标的位置将会根据omega角而偏移。另外,CODE V还允许使用X和Y偏移叁数,设定多项式偏离量的座标原点。


图二 : CODE V中作用在基底圆锥曲面上的自由曲面多项式偏离
图二 : CODE V中作用在基底圆锥曲面上的自由曲面多项式偏离

CODE V中新的扩展Fringe Zernike多项式面型,与设计者在光学系统建模中常用的多项式具有相同的形式,但是在径向扩展高达R30。


3.自由曲面系数表

从CODE V 11.3版本开始,设计者可以使用一个特别设计的自由曲面系数表。该表格以对使用者友善的显示格式,?明快速检查系统的对称性,以及符合(或违反)对称性的状况。标示出这些满足(或不满足)所需的系统对称性条件的系数项,不仅有助於高效地使用设计最隹化变数,还能够知晓并使用那些对改进系统有效的变数。



图三 : 不存在对称性假设的光学系统的二维系数网格
图三 : 不存在对称性假设的光学系统的二维系数网格

图四 : 光学系统的二维系数网格,突显违反X-Z对称性条件的系数项
图四 : 光学系统的二维系数网格,突显违反X-Z对称性条件的系数项

4.视觉化查看表面偏离量、矢高和斜率资讯

对於所设计的面型,想要从加工的角度来感受非球面斜率的陡峭程度,这在CODE V中很容易实现。使用内建功能查看表面的偏离量、矢高和斜率资讯,就可以检查可能存在问题的区域,然後透过进一步的设计和最隹化控制修正表面形状。



图五 :  Q2D自由曲面矢高图
图五 : Q2D自由曲面矢高图

5.基於Chebyshev多项式的用户定义面型 (UDS)

对於需要在矩形光瞳上进行最隹化的光学系统,CODE V提供了一个新的基於Chebyshev多项式的使用者定义面型(UDS),这对於具有方形或矩形孔径的系统非常有用。在对当下需要紧凑折叠的系统进行最隹化设计时,此面型最高达14阶,会展现出更多的灵活性。



图六 : Chebyshev面型系数表
图六 : Chebyshev面型系数表

图七 : 使用Chebyshev面型的双反射镜系统
图七 : 使用Chebyshev面型的双反射镜系统

使用CODE V中这些新的强大工具来设计自由曲面光学系统能够节省时间。将这些工具与CODE V强大并高效的最隹化能力相结合,就可以看到在早期设计转变为最终产品过程中所带来的效率提升。


(作者Matt Novak为新思科技CODE V产品经理;本文转载於新思科技部落格)


欲了解更多有关自由曲面的设计工具,请叁考网址:


https://www.synopsys.com/zh-tw/optical-solutions/codev.html


以及浏览YouTube影片:https://youtu.be/2GHBT7rkl9k


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