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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

d/4ubf+$k  
#!1IP~  
本课程为小型望远镜的设计课程。 :@;6  
牛顿望远镜 rFO_fIJno  
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：

;,v.(Z ic  
    RLE +i4P,Lp  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR e SK((T  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 bkkSIl+Q  
        APS    1 pd7O`.3  
        GLOBAL bZK+9IR  
        UNITS INCH K7S754m  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 qkiJ HT  
        MARGIN    0.050000 *f?S5 .  
        BEVEL    0.010000 [xWEf#', !  
            0 AIR S_j1=6 #^  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH +#9xA6,AE  
            1 CC    -1.00000000 =!YP$hfY  
            1 AIR bu_/R~&3{  
            1    EFILE EX1    5.050680 nrF!;:x  
            1    EFILE EX2    4.900000 %B0w~[!4}  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 yW{mK  
            1    REFLECTOR h&q=I.3O|?  
            2    EAO    1.34300000 K:uQ#W.&  
            2    CV    0.0000000000000 .@Hmg  
            2    AIR =#b4c>  
            2    DECEN    0.00000000 xl|ghjn  
            2    AT    45.00000004 \+G.]|"Y  
            2    EFILE EX1    1.950000 JR!Q,7S2!N  
            2    EFILE EX2    1.950000 \u{Jf'g  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 (y 3~[  
            2    REFLECTOR |1lf(\T_  
            3    CV    0.0000000000000 xSx&79Ez<*  
            3    AIR XNKtL]U}$  
            3    DECEN    0.00000000 tI"wVr  
            3    AT    45.00000004 J1nXAh)J  
            3    TH    10.00000001 =!(S<];  
            3    YMT    0.00000000 AL(n *,  
            4    CV    0.0000000000000 $^] 9  
            4    AIR E1^aAlVSD  
        END
!?S5IGLOj  
QjehDwt|  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
IES41y<  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
^6ExW>K  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
jG =(w4+  
"9)1K!tH  
OBB的用法如下：
!&'# a  
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， !1D%-=dWX  
•    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。） Q~x*bMb.  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 A"Tc^Ij  
•    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。 t^`<*H  
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。 ;%v%K+}r  
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。 7yo|ie@S  
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。 OJnPP>  
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。 'hxs((['\  
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。
pA*D/P-  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
$ iX^p4v  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 {KF7j63  
以下是如何获得数据列表的：
V`WI"HO+  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode h<PYE]?l  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR Se!gs>  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS _Ym&UY.u#  
rU/-Wq`B  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 ,apd3X%g  
    COLOR NUMBER    2 MAsWds`bpB  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR e_fg s>o`(  
        YEN        OPD (WAVES) -~QlHp&SY  
;`X`c  
        -1.000    -2.355059 Bbn832iMUY  
        -0.800    -1.271960 fS;m+D!j@  
        -0.600    -0.583027 Qs#9X=6e@  
        -0.400    -0.200234 :X1`wBu  
        -0.200    -0.035356 v.~Nv@+kR  
        0.200    -0.005883 b;&Yw-\nZ;  
        0.400    0.035526 mvW^P`nB  
        0.600    0.212506 NKIkd  
        0.800    0.613233 f_z2#,g  
        1.000    1.325667
$=;bccIob  
J8`1V `$  
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。 V!yp@%D  
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。
|r<.R>  
这是消除三阶慧差的一个例子。 a8lo!e9q  
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。 j,gM+4V^  
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：
0*]<RM  
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。 z~A(IQO  
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
Z;dwn~Tw  
   1 CAI 1.4
MOH,'@&6^  
Ay[9k=q]  
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：
=:0IHyB#0  
    SYNOPSYS AI>CAP U 8 .0L  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA fR{WS:Pv  
    (Y-coordinate only) :jN;l  
J[_?>YJ  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE?  (t]R#2{  
) Sh;UW  
        1     5.0007                Soft    CAO            * )Lv6vnT>  
        1     1.4000                *User    CAI            * (vYf?+Kb  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    *  :L+zUlsf  
        3     1.2378                Soft    CAO L 52z  
        4     0.7006                Soft    CAO  =}1~~  
0$dY;,Q.  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. GQc%OQc\  
        RAO and RAI input is full aperture. 7C 6BZ$(  
    SYNOPSYS AI>
;-P:$zw9c  
:d/:Ga5v!  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
,'@ISCK^  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
=F; ^^VX  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 zJym`NF  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框（Mtf OPtions）。 选择MTF的Multicolor选项，然后单击MTF按钮。
U1@ P/  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 085 ^!AZ  
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中，选择表面2，然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框，您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘，您可以在此处输入数据。 （或者，只要您识别出WS编辑窗格中的数字，就可以编辑它们。） cVt$#A)  
施密特 - 卡塞格林望远镜
l'X?S(fiV  
    RLE 4?6'~G$k  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE Lw78v@dY  
    FNAME 'SCT.RLE    ' ?_`P;}4#  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 enO=-#  
        APS    1 |x~ei_x7.p  
        GLOBAL UNITS INCH nHL>}Yg  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 bu!<0AP"N+  
        MARGIN    0.050000 0DjBqh$  
        BEVEL    0.010000 'Rf#1ls#  
            0    AIR v6(l#,  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 j-\^ }K.&  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 ErUk>V  
            1    GTB S    'K5    ' MhXm-<4  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 kT3;%D^  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 6O?Sr,  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 8Y kH  
            2    AIR UVi/Be#|  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 h.0&)t\q"  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 ]$%4;o4O  
                ZERNIKE    8    0.00022117 v8M#%QoA  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 :'Kx?Es   
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 g0 U\AN  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 =*G'.D /*  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 dQoMAsxzM  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 }tgn1xpx  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 I ywx1ac  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR z:? <aT  
            3    AIR m.X+sP-e  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 FO3*[O   
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 --hnv/AjI  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 Uv$ u\D+@[  
            3    REFLEC    TOR qt;Tfuo  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR _\6(4a`,  
            4    CC    -1.54408563 _ q1|\E%`h  
            4    AIR  ~&jCz4M  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 ~#Mx&mZ  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 T`G"2|ISS  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 {iteC  
            4    REFLEC    TOR Z*B(L@H  
            4    TH    29.18770982 ^@> Qiy  
            4    YMT    0.00000000 _YUF /B'  
                BTH    0.01000000 (LPc\\Vv  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ]jrxrUl  
            5    AIR QQcj"s  
        END
| Ylk`<  
oa7Hx<Y  
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）。
1i2O]e!  
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
v Rs5-T  
    SYNOPSYS AI>SPEC jXR+>=_  
3I(M<sB}  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
x=)$sD-3  
Z;s-t\C  
透镜规格：
}5U f`pM8  
SYSTEM SPECIFICATIONS h#nQd=H<g#  
VV0$L=mo  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 N|}`p"  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 $Plk4 o*g  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 7a net  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 O/nS,Ux  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 P $S P4F  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 N%+M+zEJ  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 K%;yFEZ  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 jK53-tF~I  
uip]K{/A!e  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 +l(}5(wc  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 mr? ii  
COLOR ORDER    2    1    3 u.6%n. g  
UNITS    INCH clNP9{  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 h>?OWI  
FOCAL MODE    ON p(Mv^ea  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 0'uj*Y{L  
GLOBAL OPTION    ON LJD"N#c   
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 R#>E{[9  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C ||f 4f3R'  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. Er)b( Kk  
SURFACE    DATA r+Y1m\  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER .@'Vz;&mQ  
0    INFINITE        INFINITE    AIR z5I<,[`  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT .kVga+la?  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR S(pfd2^  
!k:j+h/  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- <Vim\  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR >qCT#TY  
IMG    INFINITE l-&f81W  
 DWI!\lK  
KEY TO SYMBOLS dZ*o H#B  
DQSv'!KFO  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE kQ +   
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES wZ^/-  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP x {rt\OT  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA &("?6%GC  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP q~qig,$Y  
sEoS|"  
SPECIAL SURFACE DATA I ?1E}bv  
QwhPN'U  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL 1||e !W  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 ! `SR$dnE  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL Z1Ms ~tch  
3    -0.000228    2*R**2-1 |A2.W8`o  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 4ngiad6bR  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 CTwP{[%Pk  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 xe5>)\18-  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 w:qwU\U>x  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 `p!.K9r7   
A3Su&0uaB  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 Iv{}U\ u  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 7B'0(70  
7|{QAv  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
~sM334sQ  
j*CnnM#n  
表面2被定义为Zernike多项式非球面。 让我们看看那个表面是什么样的。 输入
mk[n3oE1  
    ADEF 2 PLOT
jildiT[s  
2hquE_1S[w  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离，在这种情况下，球体非常接近平坦。 A>X#[qx  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差，尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显，由S光扇图和T光扇图表示。 Z rvb %  
让我们从菜单树开始，然后转到MDI（Menu, Diffraction Image）。 选择MPF（或只在CW中输入MPF）。 选择Show visual appearance并单击Execute：
-`rz[";n  
左下角的图像是轴上图像，而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF，选择Show as surface选项，并将Height从默认值1更改为0。 HbCM{A9  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
9X!OQxmg  
您可以通过更改WS中的值来编辑Zernike项，但是还有一个对话框，按多项式列出它们，您可以通过单击按钮 从WS到达该对话框，您可以根据需要更改内容：
v=|ahsYC  
继电器望远镜 !W8$-iq  
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
vh((HS-)  
    FETCH 4
[^aow-4z  
(d@lG*K  
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。 \vKMNk;kz  
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。
d'PjO-"g  
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。 75gE>:f  
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。
xqIt?v2c  
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。 {G_ZEo#x8,  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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