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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

<G\ <QV8W  
8?e   
本课程为小型望远镜的设计课程。 F~z_>1lpP&  
牛顿望远镜 Lzh9DYU6  
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:

uQ:Qb|  
    RLE :v#k&Uh3y  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR #04{(G|~+E  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Q&u>7_, Du  
        APS    1 '1CD- Bu  
        GLOBAL 4)c+t"h  
        UNITS INCH [urH a  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 PSW #^o  
        MARGIN    0.050000 ZJ^s}  
        BEVEL    0.010000 yDd=& T   
            0 AIR X$BXT  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH R]CZw;zS_  
            1 CC    -1.00000000 3%XG@OgP  
            1 AIR d4d\0[  
            1    EFILE EX1    5.050680 shM{Y9~O9&  
            1    EFILE EX2    4.900000 $!a?i@  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 {hxW,mmA  
            1    REFLECTOR  Nm jzDN  
            2    EAO    1.34300000 jZrY=f  
            2    CV    0.0000000000000 S\B5&W  
            2    AIR xttYn ]T  
            2    DECEN    0.00000000 e@[9C(5E"  
            2    AT    45.00000004 "VV914*z  
            2    EFILE EX1    1.950000 xC)7eQn/R  
            2    EFILE EX2    1.950000 ^[en3aQ  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 rwoF}}  
            2    REFLECTOR -<O JqB  
            3    CV    0.0000000000000 !loO%3_)  
            3    AIR D2Y&[zgv  
            3    DECEN    0.00000000 AvZXRN1:'  
            3    AT    45.00000004 wjuGq.qIu  
            3    TH    10.00000001 y0;,dv]  
            3    YMT    0.00000000 Y\.DQ  
            4    CV    0.0000000000000 aJI>FTdK  
            4    AIR iNt 4>  
        END
^Ss<X}es-  
1x { XE*%;  
如下的PAD图,将显示整个光学系统结构:
Hr8\QgD<4  
通过OBB命令,可以将视场设置为0.5度:
YQ52~M0L  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
1sD~7KPg?  
8AryIgy>@  
OBB的用法如下:
vsH3{:&;"P  
要在TrayPrompt中显示此信息,只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中, 5KK{%6#f\  
•    ump0 是入射的边缘光线角度,对于无穷远处的物体为零。 (OBB格式主要用于那种情况。) 0"TgLd  
•    upp0 是入射的主光线角度,这里是0.5度。 ?k"0w)8  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度,这里是5英寸,使入射光束直径为10英寸。 ` %uK0qw"  
yp1是表面1上的主光线高度,为零是因为它是光阑,其余参数是在X-Z平面,因为系提是轴对称的,我们可以忽略它。 如果您想了解更多,只需打开Object Wizard1 (MOW),即可查看所有内容并能得到解释。 INOH{`}Ew  
宏编辑器中的代码易于阅读。 声明了平面1和2是反射面,主镜上的圆锥常数是-1.0,使其成为抛物面。 EFILE数据用于定义透镜的几何边缘形状,而且定义反射镜的厚度。 当然,这对光线追迹没有任何影响,但是在制作反射镜的加工图纸时,合适的边缘才会适于加工。 我们将在第23课中更详细地讨论该主题。 B0v|{C   
上面的文件是令LEO(LEns Out)或LE(Lens Edit)的数据,并且包含完整的系统描述。 B n{)|&;  
当然,图像在轴上是完美的,但是慧差很大,这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 Hv3W{|  
慧差有多严重? 在PAD中,选择视图2,(在PAD工具栏中单击该编号 ),然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中,选择OPD Fan Plots选项,然后单击OK。
z=B< `}@3  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design,Inc。的商标。
1f<RyAE?5  
是的,在外视场大概有两个波长的慧差。 A$Wx#r7)  
以下是如何获得数据列表的:
E&'#=K[  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode XYts8}y5  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR au}s=ua~i  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS gd K*"U  
M</Wd{.g"  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 ><X $#  
    COLOR NUMBER    2 |Hfl&3  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR !\ZcOk2  
        YEN        OPD (WAVES) uNy!< u  
r4EoJyt  
        -1.000    -2.355059 r( M[8@Nz  
        -0.800    -1.271960 %0lf  
        -0.600    -0.583027 RYH)AS4w'  
        -0.400    -0.200234 Y!M~#oqio  
        -0.200    -0.035356 a/ b92*&k  
        0.200    -0.005883 g#}tm<  
        0.400    0.035526 $]1qbE+  
        0.600    0.212506 4b=Gg  
        0.800    0.613233 0TmZ*?3!4  
        1.000    1.325667
JxHv<p[  
~?CS_B *  
转到对话框MRR(Menu, Real Rays)或导航菜单树,然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 ,aWCiu}  
我们可以使用图像工具(MIT)对话框。 输入MIT,然后进行如下所示的选择。
<}cZi4l'  
这是消除三阶慧差的一个例子。 -8/JP  
尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法,而衍射方法评估衍射积分,减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源,并且在这里肯定更好。 5~QT g  
图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化? SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中,单击“检查点”按钮, 然后转到WorkSheet。 单击表面1(或在框中输入该数字,然后单击“更新”)。 现在,使用鼠标,选择给出圆锥常数的整数:
S_$nCyaH2  
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。 >%l:Dw\A:  
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
9ZhDZ~)p,  
   1 CAI 1.4
QAi1,+y]7w  
bf(+ldq  
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:
mVt3WZa  
    SYNOPSYS AI>CAP 3[.3dy7,Z  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA &1l~&,,  
    (Y-coordinate only) ~@@ Z|w  
"Vx6 #u@}  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? a(f(R&-:$Y  
\+9;!VWhl  
        1     5.0007                Soft    CAO            * Td&d,;  
        1     1.4000                *User    CAI            * oBC]UL;8xJ  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * M|H 2kvl  
        3     1.2378                Soft    CAO {pC\\}  
        4     0.7006                Soft    CAO &Q~)]|t  
:T5A84/C  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. p_r4^p\  
        RAO and RAI input is full aperture. /S[?{QA  
    SYNOPSYS AI>
~5T$8^K  
Cg^:jd  
该系统有主要的默认孔径,尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径(CAI)以及表面2上的外椭圆孔径(EAO)。 (菜单MLL(Menu, Lens Listings)也允许您运行CAP命令。)让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP(或在CW中输入MFP)。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
5e8xKL  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧:假设你不知道光线在哪里产生渐晕(有时会在复杂的透镜里发生)。 以下是如何找到它们的方法:首先点击键。 现在,单击“开关”按钮 ,然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式,此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”,然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
; [FLT:$  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 _N@(Y:  
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。
[[X+P 0`r  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 J)Ol"LXV  
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。) fdLBhe#9M  
施密特 - 卡塞格林望远镜
pZjpc#*9N  
    RLE 8jNOEM(0Y+  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE gvlFumg2  
    FNAME 'SCT.RLE    ' W "k| K:  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 C99&L3bz^(  
        APS    1 Mt=R*M}D0  
        GLOBAL UNITS INCH _JA:.V^3gm  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 \OY}GRKt  
        MARGIN    0.050000 &oEyixe  
        BEVEL    0.010000 K[]K53Nk  
            0    AIR }^ ,q#'  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 WN\PX!K9  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 QAUykS8  
            1    GTB S    'K5    ' (0}j]p'w  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 z37Z %^  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 mr qaM2,(I  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR }1@E"6kF  
            2    AIR H?{ MRe  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 /B[}I}X  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 ST% T =_q  
                ZERNIKE    8    0.00022117 OpUA{P  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 T%~SM5  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 SBL+e]P  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 g}Mi9Kp  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 Ld~q1*7J  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 q:8\ e  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 ~bGC/I;W>  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR ?0) @jc=  
            3    AIR 61>f(?s  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 E-F5y  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 bvp)r[8h  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 QTE:K?  
            3    REFLEC    TOR #g{Mne  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR aaT5u14%  
            4    CC    -1.54408563 ~ k<SbFp  
            4    AIR o3\,gzJ  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 AAo0M/U'  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 u# 3)p  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 LuL$v+`  
            4    REFLEC    TOR Ro~fvL~Ps  
            4    TH    29.18770982 [zx|eG<&-  
            4    YMT    0.00000000 +f$Z-U1H/  
                BTH    0.01000000 gmDR{loX  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR H`gb}?9R  
            5    AIR O]bKNA.5  
        END
yKlU6t&` G  
B j=@&;  
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)。
@() {/cF  
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
+`Fb_m)f  
    SYNOPSYS AI>SPEC )mG0g@qOK  
.:[`j3s)Y  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
^9=4iXd  
%l;*I?0H  
透镜规格:
1lsLG+Rpxi  
SYSTEM SPECIFICATIONS :cdQ(O.m  
r@Nl 2  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 _aY.  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 OGGSS&5t w  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 ? oc+ 1e  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 F^miq^K=  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 k% NrL@z  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 m3luhGn  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 #// %&k  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 iJ4 <f->t  
i pwW%"6  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 =Sa~\k+  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000  C/  
COLOR ORDER    2    1    3 # \<P]<C  
UNITS    INCH "f<#.}8  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 g}YToOs  
FOCAL MODE    ON vbedk+dd?A  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 _jo$)x+'x  
GLOBAL OPTION    ON %z2oDAjX  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 PU"S;4m  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C !?6.!2  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. A6Q c;v+  
SURFACE    DATA $bFgsy*N2  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER *#6|!%?g  
0    INFINITE        INFINITE    AIR H4 =IY  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT F@EZ;[  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR 8:<1|]]  
2]3G1idB  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- RPY 6Wh| 4  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR wa2~C [  
IMG    INFINITE ExQ--!AC=  
H6{Rd+\Z  
KEY TO SYMBOLS @BXaA0F4  
w0aHEvH/  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE .01TTK*  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES FbuKZp+  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP R@&?i=gk  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA [d\#[l_  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP h~:H?pj3g  
g&P9UW>qS  
SPECIAL SURFACE DATA A>5S]  
%![4d;Z%x  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL +yvBSpY  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 so'eZ"A:  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL <9 T [yg  
3    -0.000228    2*R**2-1 9'l.TcVm`,  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 IN>TsTo  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 ~O8] 3+U  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 noFh p  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 f}A^]6MO:  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 jD<9=B(g  
95VqaR,  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 wAPO{3  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 }WoX9M; 1  
"1AjCHZ  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
E|\3f(aF  
JW2W>6Dgv[  
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
Xp.|.)Od  
    ADEF 2 PLOT
L{zamVQG  
4U:DJ_GN  
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。 k#BU7Exij  
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。 XNy:0C  
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:
g}^4^88=a  
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。 5QNBB|X@  
实际上,视场的边缘图像非常模糊。
(Jm(}X]sh[  
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:
+38Lojb}   
继电器望远镜 N IO;  
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
9.^-us1  
    FETCH 4
WReYF+Uen  
^o,y5 ,  
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。 A5`#Ot*3  
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。
&0?DL  
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。 Z(#XFXd  
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。
HdDo&#  
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。 <1v{[F_  
在本课中,我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。

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