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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

aVppOxA  
ws>WA{]gq  
本课程为小型望远镜的设计课程。 9|N" @0<B  
牛顿望远镜 ~MhgAC  
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：

vnC<*k4&v  
    RLE e8AjO$49  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR L$29L:  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 W,HH *!  
        APS    1 MegE--h  
        GLOBAL WxVn&c\  
        UNITS INCH fO^e+M z  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 t;.^K\S4  
        MARGIN    0.050000 }XX~ W}M(\  
        BEVEL    0.010000 M&qh]v gC  
            0 AIR n5Nan  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH aNE9LAms  
            1 CC    -1.00000000 GJ1;\:cQq  
            1 AIR RgB6:f,  
            1    EFILE EX1    5.050680 x">W u2  
            1    EFILE EX2    4.900000 9Z,*h-o  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 -?< Ww{  
            1    REFLECTOR w4e%-Ln  
            2    EAO    1.34300000 ,4^9cFVo  
            2    CV    0.0000000000000 w]>"'o{{  
            2    AIR CM%|pB/z  
            2    DECEN    0.00000000 9 wO/?   
            2    AT    45.00000004 +}_Pf{MW  
            2    EFILE EX1    1.950000 \{c,,th  
            2    EFILE EX2    1.950000 . i{>Z  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 0U82f1ei  
            2    REFLECTOR lLuID  
            3    CV    0.0000000000000  Y{B9`Z  
            3    AIR Ps U9R#HL1  
            3    DECEN    0.00000000 1)TK01R8  
            3    AT    45.00000004 #TMm#?lC  
            3    TH    10.00000001 #yW.o'S+  
            3    YMT    0.00000000 %55@3)V8Rf  
            4    CV    0.0000000000000 9$7&URwSDI  
            4    AIR &w+;N5}3  
        END
TZ?Os4+  
^)&Ly_xrU  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
3B@y &a#&  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
Q)09]hP[Xj  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
0:Ar| to$m  
weNzYMf%  
OBB的用法如下：
SArfczoB  
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， )O,wRd>5  
•    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。） =%!e(N'p  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 exfm q  
•    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。 A0G)imsW:_  
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。 q5Fs)B  
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。 yJ%t^ X_  
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。 1hl]W+9  
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。 p6`Pp"J_tr  
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。
fJaubDxa  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
sU\c#|BSC"  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 :6XguU  
以下是如何获得数据列表的：
6SE6AL<b  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode led))qd@V-  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR XC=%H'p  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS XMGx ^mn  
z9[[C^C  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 U4Z[!s$  
    COLOR NUMBER    2 C)NC&fV  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR pgT9hle/  
        YEN        OPD (WAVES) 1%%'6cWWu  
{jjSJIV1  
        -1.000    -2.355059 0axxQ!Ivx  
        -0.800    -1.271960 pe9@N9_5  
        -0.600    -0.583027 h;-a`@rO ;  
        -0.400    -0.200234 #O"  
        -0.200    -0.035356 9Gca6e3  
        0.200    -0.005883 /RGNAHtIi  
        0.400    0.035526 S=' wJ@?;  
        0.600    0.212506 #/|75 4]]  
        0.800    0.613233 J1bA2+5.*e  
        1.000    1.325667
&uv0G'"\  
b/t  
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。 ({4]  
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。
EFAGP${F  
这是消除三阶慧差的一个例子。 Zmf'{tT5  
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。 EM@ ;3.IO  
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：
1"}cdq.  
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。 9}5K6aQ  
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
D==Mb~  
   1 CAI 1.4
.x!T+`l>8I  
$6T3y8  
然后单击“更新”按钮。 （CAI表示Clear Aperture，Inside。）现在，一个孔径出现在主镜像中。 再次单击“检查点”按钮。 （每当我们做出可能要返回的更改时，我们都会单击它。）在CW中输入CAP，您会看到列出的CAI数据：
,_D" ?o  
    SYNOPSYS AI>CAP 3J{vt"dS  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA m 41t(i  
    (Y-coordinate only) XF|WCZUnY%  
NBjeH tT  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? [|[>}z:  
RW_q~bA9  
        1     5.0007                Soft    CAO            * pQMtj0(y  
        1     1.4000                *User    CAI            * Y#FO5O%W  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * n-o3  
        3     1.2378                Soft    CAO ,Ol (piR  
        4     0.7006                Soft    CAO HRB[GP+  
!"Q}R p  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. Q$ri=uB;+  
        RAO and RAI input is full aperture. jTb-;4 N'  
    SYNOPSYS AI>
&3Z?UhH  
a{SBCy  
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”。
/\Z J   
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
k%P;w1  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 [mUBHYD7OI  
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。
RKZ6}q1n  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 kS :\Oz\  
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。） 15{Y9!  
施密特 - 卡塞格林望远镜
5\Fz!  
    RLE 9b;A1gu  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE 9!U@"~yB  
    FNAME 'SCT.RLE    ' ?":'O#E  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 U7iuY~L  
        APS    1 nmFC%p)4  
        GLOBAL UNITS INCH ceT&Y{T  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 1mH%H*#  
        MARGIN    0.050000 tNIlzR-  
        BEVEL    0.010000 Vp}^NNYf  
            0    AIR (k`{*!:1a  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 hWo=;#B*  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Z5(enTy-  
            1    GTB S    'K5    ' wmU0E/{9]  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 7@}$|u:JUF  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 {/<6v. v  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR x9W(cKB'S  
            2    AIR 9\;|x  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 _qXa=|}V.  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 ,#]t$mzbQ(  
                ZERNIKE    8    0.00022117 <3okiV=ox  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 FG@ -bV  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 ]@^coj[  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 !? 5U|  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 ,`A?!.K$  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 _7T@5\b:;  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 xI*#(!x"G  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR wJ<Oo@snm  
            3    AIR m~hoE8C$  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 JUAS$Y  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 c`*TPqw(B[  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 AJ^#eY5  
            3    REFLEC    TOR MZJ]Dwt]  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR <M]h{BS=  
            4    CC    -1.54408563 Wu6<\^A  
            4    AIR $,>@o=)_  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 Mg,:UC:  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 X^9d/}uTa  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 E\nv~Y?SG  
            4    REFLEC    TOR 0c^>eq]  
            4    TH    29.18770982 )6KMHG  
            4    YMT    0.00000000 h].~#*  
                BTH    0.01000000 F}GPZ=T;  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR P^`duZ{T  
            5    AIR 6]zd.W  
        END
'})0!g<Y  
Nc Pgq?3p  
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）。
8X|r4otn4  
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
3@Z#.FV~C[  
    SYNOPSYS AI>SPEC r|e-<t4.9L  
dC\ZjZZ  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
@H>@[+S#  
*'Y@3vKE  
透镜规格：
%?^6).aEK  
SYSTEM SPECIFICATIONS G 0O#/%%  
^.k |SK`U  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 <GHYt#GIZ+  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 {U<xdG  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 <<](XgR(  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 `@[c8j7  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 h_1T,f (  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 gBh;=vOD  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 :c9U>1`g&  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 AcI,N~~  
/xGmg`g<#  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 =[\s8XH,  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 %>-@K|:gS  
COLOR ORDER    2    1    3 ay "'#[  
UNITS    INCH "H -"  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 wn_b[tdxq  
FOCAL MODE    ON jdE5~a+  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 Hqnxq  
GLOBAL OPTION    ON ?Kvl!F!`  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 [.RO'>2z  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C O=SkAsim  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. &B! o,qp  
SURFACE    DATA [aI]y =v  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER E9?ph D  
0    INFINITE        INFINITE    AIR b=~i)`  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT FOq1>>a0  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR "S 3wk=?4  
fwK}/0%  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- sY?,0T_m  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR '47P|t  
IMG    INFINITE AU-n&uX  
b'6- dU%  
KEY TO SYMBOLS [mEql,x3  
={LMdC~5X  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE >.dWjb6t  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES 5~mh'<:  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP >pU:Gr  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA P/EM :  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP T3`ludm^u  
"\0v,!@  
SPECIAL SURFACE DATA v1a6?-  
atXS-bg*  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL s'kDk2r  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 It2" x;  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL [<'-yQ{l\  
3    -0.000228    2*R**2-1 )_/5*Ly@  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 Sz H"  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 r5!/[_l  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 3O7!`Nm@  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 NPFpq,P>  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 y*D]Q`5cag  
x\Z'2?u}  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 \GHiLs,!  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 Bz5-ITX   
C@jJ.^ <<  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
Qt vYv!  
a{{g<< H  
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
S[7WW$lF  
    ADEF 2 PLOT
~I{n^Q/a  
Ok n(pJ0  
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。 4lBU#V7  
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。 SPp#f~%m  
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：
F<!)4>2@  
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。 XS$OyW_Q  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
SJIOI@\b  
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：
bQ~j=\[r  
继电器望远镜 ]O]GeAGC2  
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
ss5 m/i7  
    FETCH 4
-WYAN:s  
LVJxn2x6  
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。 $V1;la!  
这里显示的版本有一个16英寸直径的平面镜，所有表面都是球形的，与非球面设计相比，它易于加工。
[,TkFbDq"J  
该设计的有趣之处在于使用Mangin反射镜，该反射镜从表面2到表面4，再到表面3都是反射面，表面4与表面2重合。利用该元件，可以很好地校正球差和二次色差。 打开文件时，在CW中输入LEO以检查输入文件。 PssMTEf  
透镜形状分析，主镜的形状在背面被磨成锥形，用EFILE输入数据，用于描述元件的边缘。 在PAD中，单击按钮， ， 打开“边缘向导”（或输入MEW，菜单，边缘向导），如果未在WS中选择，则选择表面1。
b$Vz2Fzx  
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。 W"Gkq!3u{  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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