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optics1210 2018-08-20 15:19

SYNOPSYS 光学设计软件课程四:业余望远镜

*t+E8)qL  
4{r_EV[(  
本课程为小型望远镜的设计课程。 ~t~5ctJ@  
牛顿望远镜 PNbs7f  
最经典的是牛顿式望远镜,除了光滑的反射镜之外,系统结构也较为简单。 结构输入文件如下:

T?Dq2UW  
    RLE !cWnQRIt_F  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR =abth6#)  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 S-Y(Vn4  
        APS    1 *I}_B\kY  
        GLOBAL Q b|.;_  
        UNITS INCH [}OL@num  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 } bs2Rxkh  
        MARGIN    0.050000 6GD Uo}.  
        BEVEL    0.010000 -~HlME *~f  
            0 AIR !I? J^0T  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH CKTD27})  
            1 CC    -1.00000000 (qP !x 2j  
            1 AIR '7<@(HO  
            1    EFILE EX1    5.050680 afZPju"-  
            1    EFILE EX2    4.900000 p ?HODwZ  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 N -]m <z>  
            1    REFLECTOR "F+Wo&  
            2    EAO    1.34300000 O;A/(lPW+  
            2    CV    0.0000000000000 8elT/Wl  
            2    AIR rGZ@pO2  
            2    DECEN    0.00000000 \?} {wh8  
            2    AT    45.00000004 Kup-O u,  
            2    EFILE EX1    1.950000 ^j2:fJOU#  
            2    EFILE EX2    1.950000 fuH Dif,  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 C%P"Ds=w0N  
            2    REFLECTOR o4kNDXP#S  
            3    CV    0.0000000000000 Oed&B  
            3    AIR NRKAEf_#w  
            3    DECEN    0.00000000 c3lfmTT6^  
            3    AT    45.00000004 B(MO!GNg=  
            3    TH    10.00000001 Dz&4za+{  
            3    YMT    0.00000000  \~  
            4    CV    0.0000000000000 fxLhVJ"b  
            4    AIR K@{jY\AZNx  
        END
qi7wr\XNW  
&-+&`h|s  
如下的PAD图,将显示整个光学系统结构:
U6=m4]~Z  
通过OBB命令,可以将视场设置为0.5度:
$`'^&o;&f  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
0zpP$q$  
}}qR~.[  
OBB的用法如下:
`bZ_=UAb  
要在TrayPrompt中显示此信息,只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中, GX_Lxc_<f  
•    ump0 是入射的边缘光线角度,对于无穷远处的物体为零。 (OBB格式主要用于那种情况。) +V |]:{3W  
•    upp0 是入射的主光线角度,这里是0.5度。 Y@.> eS  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度,这里是5英寸,使入射光束直径为10英寸。 E"Xi  
yp1是表面1上的主光线高度,为零是因为它是光阑,其余参数是在X-Z平面,因为系提是轴对称的,我们可以忽略它。 如果您想了解更多,只需打开Object Wizard1 (MOW),即可查看所有内容并能得到解释。 O)5-6lm  
宏编辑器中的代码易于阅读。 声明了平面1和2是反射面,主镜上的圆锥常数是-1.0,使其成为抛物面。 EFILE数据用于定义透镜的几何边缘形状,而且定义反射镜的厚度。 当然,这对光线追迹没有任何影响,但是在制作反射镜的加工图纸时,合适的边缘才会适于加工。 我们将在第23课中更详细地讨论该主题。 &V( LeSI  
上面的文件是令LEO(LEns Out)或LE(Lens Edit)的数据,并且包含完整的系统描述。 cf@#a@7m9  
当然,图像在轴上是完美的,但是慧差很大,这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 UsQv!Cwu^  
慧差有多严重? 在PAD中,选择视图2,(在PAD工具栏中单击该编号 ),然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中,选择OPD Fan Plots选项,然后单击OK。
!wrl.A/P  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design,Inc。的商标。
p,D/ Pb8  
是的,在外视场大概有两个波长的慧差。 2 ;B[n;Q{  
以下是如何获得数据列表的:
wCvD4C.WH  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode rI]:| k  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR l}AB):<Z  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS =GR Em5  
ijhMJ?3  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 *8XGo  
    COLOR NUMBER    2 V43JY_:  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR cDTDim1F  
        YEN        OPD (WAVES) `bC_J,>_  
iCx'`^HnP  
        -1.000    -2.355059 N7#GK]n%/}  
        -0.800    -1.271960 K0I-7/L  
        -0.600    -0.583027 OClY ,@  
        -0.400    -0.200234 C1G Wi4)  
        -0.200    -0.035356 5WZLB =  
        0.200    -0.005883 3\@6i'  
        0.400    0.035526 j#p3c  
        0.600    0.212506 GV[[[fu  
        0.800    0.613233 8'cDK[L  
        1.000    1.325667
kD; BwU[  
R a*9d]N@  
转到对话框MRR(Menu, Real Rays)或导航菜单树,然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 E 0oJ|My  
我们可以使用图像工具(MIT)对话框。 输入MIT,然后进行如下所示的选择。
Bv=Z*"Fv  
这是消除三阶慧差的一个例子。 -=qmYf  
尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法,而衍射方法评估衍射积分,减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源,并且在这里肯定更好。 5!cplx=<  
图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化? SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中,单击“检查点”按钮, 然后转到WorkSheet。 单击表面1(或在框中输入该数字,然后单击“更新”)。 现在,使用鼠标,选择给出圆锥常数的整数:
@/7Rp8Fr  
然后单击SEL按钮。顶部滑块现在控制该数值的变化。向左或向右拖动滑块并观察PAD显示。 这些滑块为您提供了透镜连续变化的效果。 \|&5eeE@  
我们现在将评估轴上的图像质量。在WS仍处于打开状态时,在编辑窗格中输入
Q'=!1^&  
   1 CAI 1.4
0^[$0]Mt[  
:e9E#o  
然后单击“更新”按钮。 (CAI表示Clear Aperture,Inside。)现在,一个孔径出现在主镜像中。 再次单击“检查点”按钮。 (每当我们做出可能要返回的更改时,我们都会单击它。)在CW中输入CAP,您会看到列出的CAI数据:
1%=,J'AH  
    SYNOPSYS AI>CAP uC;@Yi8  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA Ql V:8:H$  
    (Y-coordinate only) Y|lMa?\E  
%Bo Jt-v  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? P 2Eyqd8  
p' gv5\u[w  
        1     5.0007                Soft    CAO            * 0CN .gu  
        1     1.4000                *User    CAI            * -zTeIvcy5  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * W.CIyGK  
        3     1.2378                Soft    CAO 7v:;`6Jb  
        4     0.7006                Soft    CAO #e0+;kBh  
[,e_2<   
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. @)0g Xg  
        RAO and RAI input is full aperture. ,#m\W8j  
    SYNOPSYS AI>
HU'E}8%t6  
O ,;SA  
该系统有主要的默认孔径,尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径(CAI)以及表面2上的外椭圆孔径(EAO)。 (菜单MLL(Menu, Lens Listings)也允许您运行CAP命令。)让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP(或在CW中输入MFP)。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
{M$8V~8D  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧:假设你不知道光线在哪里产生渐晕(有时会在复杂的透镜里发生)。 以下是如何找到它们的方法:首先点击键。 现在,单击“开关”按钮 ,然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式,此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”,然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
< <xJ-N  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 w5nRgdboy!  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框(Mtf OPtions)。 选择MTF的Multicolor选项,然后单击MTF按钮。
1h"B-x  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 2KX *x_-   
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中,选择表面2,然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框,您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘,您可以在此处输入数据。 (或者,只要您识别出WS编辑窗格中的数字,就可以编辑它们。) lwB!ti  
施密特 - 卡塞格林望远镜
SVHtv0Nx  
    RLE BxG;vS3>*e  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE 4q~E\l|.5  
    FNAME 'SCT.RLE    ' :H87x?e[  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 5u!cA4e"  
        APS    1 a|>MueJ  
        GLOBAL UNITS INCH I[|I\tW  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 mU_O64  
        MARGIN    0.050000 :`|,a (  
        BEVEL    0.010000 +l#2u#e  
            0    AIR npF[J x[  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 &0"`\~lA  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 4H:WpW*r  
            1    GTB S    'K5    ' ~E\CAZ  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 oa4}GNH  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 a"zoDD/  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR v 7R&9kU{  
            2    AIR N$+"zJmw&  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 A4^+p0@  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 Q9'p2@Z  
                ZERNIKE    8    0.00022117 ~:@H6Ke[  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 izxCbbg  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 :8ZxOwwv  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 :s5g6TR  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 +EB# #  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 8+ u8piG  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 j0GI[#  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR `4=b|N+b"  
            3    AIR a !IH-XJ2  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 2*M*<p=v  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 A"'MRYT`  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 i_MI!o  
            3    REFLEC    TOR aI<~+]  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR s*IfXv  
            4    CC    -1.54408563 cNVdGY%&  
            4    AIR *t_&im%E  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 H07j&  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 --9mTqx  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 _x!pM j(A  
            4    REFLEC    TOR /\#5\dHj  
            4    TH    29.18770982 )>fi={!=c  
            4    YMT    0.00000000 pR"qPSv'  
                BTH    0.01000000 q :bKT#\  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR BUb(BzC  
            5    AIR 4(R2V]  
        END
,B2 -'O  
%gaKnT(|r  
注意如何在PAD中的光扇图上识别渐晕光线。 在这里也将遵循Switch 21(如果您更愿意看到默认显示,可以将其关闭)。
e0L;V@R  
在SPEC列表中,您会看到表面2和4是非球面的,在半径列后面用“O”表示
tX251S  
    SYNOPSYS AI>SPEC L9T u>4  
_#C}hwOR>X  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
Al|7Y/  
-?W@-*J  
透镜规格:
6"7qZq  
SYSTEM SPECIFICATIONS sYXS#;|M  
L3AwL)I   
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614  zjA/Z(  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 q8Dwu3D  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 V5B-S.i@  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 {<kG{i/  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 Bt,Xe~$z-  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 O[ !o1.  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 D@^ZpN8r  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 ' l|_$3  
{n]sRz  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 IMza 2  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 2?QJh2  
COLOR ORDER    2    1    3 .jp]S4~  
UNITS    INCH A ? M]5d  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 F :S,{&jB  
FOCAL MODE    ON { ZX C%(u  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 >A&@Wp1  
GLOBAL OPTION    ON CeTr%j  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 j&A3s{S4A  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C ` a>vPW  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED.  2JP?6N  
SURFACE    DATA #ja`+w}  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER `?JgHk  
0    INFINITE        INFINITE    AIR Jj:6 c  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT u4@e=vW I  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR vC:b?0s#(  
It4z9Gh  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- zU~..;C  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR K//T}-Uub  
IMG    INFINITE N-`;\  
jJZsBOW[8  
KEY TO SYMBOLS .KucjRI  
L\NZDkd  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE gvNZrp>e!  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES u!o]Co>  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP k-V I9H!,  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA | ",[C3Jg  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP S2E HmE&  
H@E" )@92  
SPECIAL SURFACE DATA Cc)P5\j h  
 p &>A5  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL pYl{:uIPN8  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 ]TgP!M&q  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL O[)]dD&'  
3    -0.000228    2*R**2-1 `t0f L\T  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 3]<re{)J9O  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 ShJK&70O  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 [!@oRK=~  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 qQOD  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 _sR9   
K3:|Tc(  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 t*d >eK`:N  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 ]<T8ZA_Y;  
fu<2t$Cn>  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
?[VpN2*  
V.ji _vX  
表面2被定义为Zernike多项式非球面。 让我们看看那个表面是什么样的。 输入
W Gw!Y1wq  
    ADEF 2 PLOT
vX0"S  
qzA]2'~Q  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离,在这种情况下,球体非常接近平坦。 8ts+'65|F  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差,尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显,由S光扇图和T光扇图表示。 PKR $I  
让我们从菜单树开始,然后转到MDI(Menu, Diffraction Image)。 选择MPF(或只在CW中输入MPF)。 选择Show visual appearance并单击Execute:
Y^2Qxo3"3  
左下角的图像是轴上图像,而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF,选择Show as surface选项,并将Height从默认值1更改为0。 ,p!B"# ot  
实际上,视场的边缘图像非常模糊。
#RM3^]h  
您可以通过更改WS中的值来编辑Zernike项,但是还有一个对话框,按多项式列出它们,您可以通过单击按钮 从WS到达该对话框,您可以根据需要更改内容:
6lmiMU&V  
继电器望远镜 j;20JA/b  
这个例子是几年前作者在地下室建造的中继望远镜。 1977年在Sky&Telescope中描述了早期版本,但是这个版本有一个额外的中继透镜并且校正地更好。 它的文件名为4.RLE,您可以使用命令打开它
y[p$/$bgC5  
    FETCH 4
#)0Tt>d6  
Bw<zc=%  
您还可以打开MWL(Menu, Window, Lens)以查看当前用户目录中的所有透镜文件,并为您单击的任何文件提供预览窗格。 7~"(+f  
这里显示的版本有一个16英寸直径的平面镜,所有表面都是球形的,与非球面设计相比,它易于加工。
Y^6[[vaj2  
该设计的有趣之处在于使用Mangin反射镜,该反射镜从表面2到表面4,再到表面3都是反射面,表面4与表面2重合。利用该元件,可以很好地校正球差和二次色差。 打开文件时,在CW中输入LEO以检查输入文件。 5m^Hi} S _  
透镜形状分析,主镜的形状在背面被磨成锥形,用EFILE输入数据,用于描述元件的边缘。 在PAD中,单击按钮, , 打开“边缘向导”(或输入MEW,菜单,边缘向导),如果未在WS中选择,则选择表面1。
M6]0Y@@>  
您可以在此对话框中定义透镜和反射镜上最多五个点,如图所示。对于反射面,两个编辑框设置了反射镜的厚度(这里是3英寸)和背面的锥角(这里是28度)。在这种情况下,点E标记锥体的起点,距轴线4英寸。 单击Next el 按钮,程序跳转到下一个透镜的第一个侧面。继续查看A到E如何定义透镜边缘的形状。 然后单击按钮,可以阅读有关边缘定义或EFILE的数据并执行所有操作。 >u5g?yzw  
在本课中,我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。

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