SYNOPSYS 光学设计软件课程四:业余望远镜
m$_b\^we mEbI\!}H0 本课程为小型望远镜的设计课程。 \yu7,v 牛顿望远镜 t^KQ*8clG 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: e.skE>& RLE a_V\[V{R= ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR L2,2Sn*4i WAVL .6562700 .5875600 .4861300 QM#Vl19>j( APS 1 &hO-6(^I GLOBAL DtFHh/X UNITS INCH *d3-[HwZCL OBB 0.000000 0.50000 5.00000 (^35cj{s MARGIN 0.050000
^S3G%{" BEVEL 0.010000 RARA _tii 0 AIR $Yt|XT+!& 1 RAD -160.0000000000000 TH ;_vhKU)%J# 1 CC -1.00000000 BLyV~ 1 AIR gDVsi 1 EFILE EX1 5.050680 Wu^Rv- xA 1 EFILE EX2 4.900000 vII{i 1 EFILE MIRROR 2.000000 Ba@~: 1 REFLECTOR Vf&U`K 2 EAO 1.34300000 >jsY'Bm 2 CV 0.0000000000000 ;ND$4$ 2 AIR :31_WJ^ 2 DECEN 0.00000000 JI[8n$pr] 2 AT 45.00000004 ea"X$<s>- 2 EFILE EX1 1.950000 xeSch?} 2 EFILE EX2 1.950000 'RV96lX< 2 EFILE MIRROR -0.300000 pOXI*0_g. 2 REFLECTOR Yi%lWbr 3 CV 0.0000000000000 }bv+^# 3 AIR } +}nrJv 3 DECEN 0.00000000 oI{.{] 3 AT 45.00000004 c$!?4z_. 3 TH 10.00000001 Q38+`EhLA 3 YMT 0.00000000 T0tX%_6` 4 CV 0.0000000000000 7.hBc;%2u 4 AIR q$:7j5E END S-S%IdL Wp>t\S~N 如下的PAD图,将显示整个光学系统结构: VGc*aQYa 通过OBB命令,可以将视场设置为0.5度: }ouGxs+^[ OBB 0.000000 0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000 s#s">hMrI
p>7qyZ8 OBB的用法如下: ?Ts]zO%%Z 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, b!]O]dk# • 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。) k9}8xpH • upp0 是入射的主光线角度,这里是0.5度。 &))d],tJX • 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。 1 %P-X! 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。 }#FV{C] 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。 HLW_Y|QaFo 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。 S&`6pN 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。 X[o+Y@bc 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。 8M*+
| 1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design,Inc。的商标。 Y1-dpML 是的,在外视场大概有两个波长的慧差。 R'k`0 以下是如何获得数据列表的: Zo<)r2|O. SYNOPSYS AI>OPD ! The next command will be in OPD mode $Q/@5f'T`9 SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1 ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR eP @#I^_ TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS jw:z2:0~ .t_t)'L FRACT. OBJECT HEIGHT HBAR 1.000000 GBAR 0.000000 A3a/ /e COLOR NUMBER 2 |#2WN- REL ENT PUPIL WAVEFRONT ABERR 8gP1]xD YEN OPD (WAVES) idYB.]Y( 3J#LxYK -1.000 -2.355059 7
~~ug -0.800 -1.271960 ?}KRAtJ8 -0.600 -0.583027 a<<4gXx -0.400 -0.200234 NfvPE ]S -0.200 -0.035356 ,W}:vdC 0.200 -0.005883 >9{?]x 0.400 0.035526 GOc
0.600 0.212506 5skN'*oG 0.800 0.613233 G4@r_VP \ 1.000 1.325667 _eKO:Y[e ,u
`xneOs 转到对话框MRR(Menu, Real Rays)或导航菜单树,然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 7[1Lh'u 我们可以使用图像工具(MIT)对话框。 输入MIT,然后进行如下所示的选择。 M@cFcykK 这是消除三阶慧差的一个例子。 =
wD#H@ h 尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法,而衍射方法评估衍射积分,减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源,并且在这里肯定更好。 uyWheR 图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化? SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中,单击“检查点”按钮, 然后转到WorkSheet。 单击表面1(或在框中输入该数字,然后单击“更新”)。 现在,使用鼠标,选择给出圆锥常数的整数: Z~J]I|R: 然后单击SEL按钮。顶部滑块现在控制该数值的变化。向左或向右拖动滑块并观察PAD显示。 这些滑块为您提供了透镜连续变化的效果。 >5CK&6 我们现在将评估轴上的图像质量。在WS仍处于打开状态时,在编辑窗格中输入 Pf[E..HF*d 1 CAI 1.4 M`cxxDj&j axnlI*! 然后单击“更新”按钮。 (CAI表示Clear Aperture,Inside。)现在,一个孔径出现在主镜像中。 再次单击“检查点”按钮。 (每当我们做出可能要返回的更改时,我们都会单击它。)在CW中输入CAP,您会看到列出的CAI数据: /pj[c;aO SYNOPSYS AI>CAP `MU~N_ ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA 0vv~G\yM (Y-coordinate only) !/}3/iU NIs 7v SURF X OR R-APER. Y-APER. REMARK X-OFFSET Y-OFFSET EFILE? iJzBd7 %zcA|SefP 1 5.0007 Soft CAO * (.4lsKN< 1 1.4000 *User CAI * }^&S^N7 2 1.3430 1.9000 *User EAO 0.0000 -0.1000 * <F7a!$zQ 3 1.2378 Soft CAO [~9UsHfH 4 0.7006 Soft CAO 1[!:|= DG;7+2U NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. sy"}25s RAO and RAI input is full aperture. O%EA,5U. SYNOPSYS AI> o!tC{"g JXc.?{LL 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”。 pQiC#4b 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 ,P a*; o\ 数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 "/'3I/} 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。 m
Q9dF, 这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 HA,o2jZ?In 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。) ,#)d 施密特 - 卡塞格林望远镜 K7RAmX RLE 4mvR]:G ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE WE) *~5 FNAME 'SCT.RLE ' n\ "6ol}>E WAVL .6562700 .5875600 .4861300 h1_Z&VJ APS 1 `dvg5qQ GLOBAL UNITS INCH GL
n M1 OBB 0.000000 0.40800 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000 XFS~ MARGIN 0.050000 U,#~9 BEVEL 0.010000 ;5tOQ&p%v 0 AIR i7#4&r 1 CV 0.0000000000000 TH 0.25000000 d>p' A_ 1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Pe_O( 1 GTB S 'K5 ' Tdi^P}i_ 1 EFILE EX1 5.050000 5.050000 5.060000 0.000000 MfL7|b) 1 EFILE EX2 5.050000 5.050000 0.000000 (ghI$oH 2 CV 0.0000000000000 TH 20.17115161 AIR njs: 2 AIR ray3gM%JLj 2 ZERNIKE 5.00000000 0.00000000 0.00000000 m4/qxm"Dx: ZERNIKE 3 -0.00022795 pAy4%|( ZERNIKE 8 0.00022117 ^-"Iwy ZERNIKE 15 -2.00317788E-07 z.8/[) ZERNIKE 24 -3.81789104E-08 ~q ^o|? ZERNIKE 35 -3.47468956E-07 O*~,L6# } ZERNIKE 36 3.76974435E-07 Z}S[fN8 2 EFILE EX1 5.050000 5.050000 5.060000 MJGT|u8O& 3 CAI 1.68000000 0.00000000 0.00000000 /PwiZA3sA 3 RAD -56.8531404724216 TH -19.92114987 AIR !UoA6C: 3 AIR ~(R=3 3 EFILE EX1 5.204230 5.204230 5.214230 0.000000 u$d[&|`>_ 3 EFILE EX2 5.204230 5.204230 0.000000 B7f<XBU6> 3 EFILE MIRROR 1.250000 +?*;#=q 3 REFLEC TOR 6|eqQ+(A 4 RAD -23.7669696838233 TH 29.18770982 AIR R/~!km 4 CC -1.54408563 4A2}3$c9 4 AIR h*fN]k6 4 EFILE EX1 1.555450 1.555450 1.555450 0.000000 T~E;@weR 4 EFILE EX2 1.545450 1.545450 0.000000 tW UI?\ 4 EFILE MIRROR -0.243545 @vl$[Z| 4 REFLEC TOR u}%OC43 4 TH 29.18770982 B'yjMY![
4 YMT 0.00000000 M{jXo%C BTH 0.01000000 /WnCAdDgZ 5 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR DzpWU8j 5 AIR _pTcSp3 END E+ /Nicn= "KIY+7@S} 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)。 \foThLx 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 sBadiDG~9 SYNOPSYS AI>SPEC g7zl5^o3j nYx
/q ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS: @7nZjrH UVw^t+n 透镜规格: =2 HY]H SYSTEM SPECIFICATIONS m \)B=H!bz /GgID!8 OBJECT DISTANCE (TH0) INFINITE FOCAL LENGTH (FOCL) 98.1614 z/J?!ee OBJECT HEIGHT (YPP0) INFINITE PARAXIAL FOCAL POINT 29.1777 @6"MhF MARG RAY HEIGHT (YMP1) 5.0000 IMAGE DISTANCE (BACK) 29.1877 DSLX/uo1 MARG RAY ANGLE (UMP0) 0.0000 CELL LENGTH (TOTL) 0.5000 Tksv7*5$ CHIEF RAY HEIGHT (YPP1) 0.0000 F/NUMBER (FNUM) 9.8161 O<$w-( CHIEF RAY ANGLE (UPP0) 0.4080 GAUSSIAN IMAGE HT(GIHT) 0.6992 C98F?uo%Q ENTR PUPIL SEMI-APERTURE 5.0000 EXIT PUPIL SEMI-APERTURE 2.0218 -PPwX~;! ENTR PUPIL LOCATION 0.0000 EXIT PUPIL LOCATION -10.5157 Jq0sZ0j 2'fd4rE5 WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 {?yVA WEIGHTS 1.000000 1.000000 1.000000 Zv
%>m COLOR ORDER 2 1 3 B!+c74 UNITS INCH 6,=Z4> APERTURE STOP SURFACE (APS) 1 SEMI-APERTURE 5.00000 ?$/::uo FOCAL MODE ON 0cmd +` MAGNIFICATION -9.81862E-11 A"7YkOfwH GLOBAL OPTION ON p6j-8ggL BTH OPTION ON, VALUE = 0.01000 I2/am8!u% GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE = 20.00 DEGREES C !}6'vq POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. #2^0z`-\_z SURFACE DATA \aJ>? SURF RADIUS THICKNESS MEDIUM INDEX V-NUMBER }n&nuaj 0 INFINITE INFINITE AIR (1CP]5W 1 INFINITE 0.25000 K5 1.52248 59.49 SCHOTT I%.nPOQ 8 2 INFINITE O 20.17115 AIR $s_k/dM~& 7g*!6-W[ 3 -56.85314 -19.92115 AIR <- f6I)c$]Q 4 -23.76697 O 29.18771S AIR iM8Cw/DS IMG INFINITE ;!HQ!#B 8U@f/P KEY TO SYMBOLS --]blP7 HB )+.e A SURFACE HAS TILTS AND DECENTERS B TAG ON SURFACE \IQG%L{ G SURFACE IS IN GLOBAL COORDINATES L SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES h!wq&Vi4 O SPECIAL SURFACE TYPE P ITEM IS SUBJECT TO PICKUP 7FH-l(W S ITEM IS SUBJECT TO SOLVE M SURFACE HAS MELT INDEX DATA Kz;Ar&^`N T ITEM IS TARGET OF A PICKUP 7Q!ksp (*A@V%H SPECIAL SURFACE DATA b,Eq-Z; w
yxPvI` SURFACE NO. 2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL BZ\="N#f APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP) 5.000000 -9LvAV> TERM COEFFICIENT ZERNIKE POLYNOMIAL /5E0'y,|P 3 -0.000228 2*R**2-1 N@PuC> 8 0.000221 6*R**4-6*R**2+1 #_ulmB; 15 -2.003178E-07 20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 F(1E@xs 24 -3.817891E-08 70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 LHtO|Utn( 35 -3.474690E-07 252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 'Qt[cW 36 3.769744E-07 924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 ir'<H<t2 W)1nc"WqY SURFACE NO. 4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC) -1.544086 qD%88c)g SEMI-MAJOR AXIS (b) 43.682407 SEMI-MINOR AXIS (a) -32.221087 w&IYCYK_ t5 >ma:^j THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI> 9z4F/tUq FTUfJIVN( 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 r~=+>,
_ ADEF 2 PLOT Sck!w 3 1o5kP,) 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。 *ssw`}yE' 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。 UZ/LR 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: +m
J G: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。 #reR<qp&] 实际上,视场的边缘图像非常模糊。 ~V(>L=\V; 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: r7VBz_Q 继电器望远镜 nGGw(6c%> 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 !l dE9 . FETCH 4 H.?`90IQ Hd4 ~v0eS 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。 ~7aD#`amU 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。 #HL$`&m 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。 jA8Bmwt;w 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。 >#dLT~[\a 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。 ~~Cd9Hzi 在本课中,我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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