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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

xr}3vJ7  
%wWJVq}jx  
本课程为小型望远镜的设计课程。 +sq'\Tbp  
牛顿望远镜 ^<49NUB>  
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：

$ (/=Wn  
    RLE `>-fU<Q1  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR ce@1#}*  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 o{7wPwQ;*  
        APS    1 ]Jz2[F"J  
        GLOBAL Is1P,`*!  
        UNITS INCH <ZO"0oz%  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 m/@ ;N,K  
        MARGIN    0.050000 .}!"J`{ W  
        BEVEL    0.010000 q{T [|(!  
            0 AIR KT$Za  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH yuIy?K  
            1 CC    -1.00000000 #t N9#w[K{  
            1 AIR n@|5PI"bx  
            1    EFILE EX1    5.050680 0z&]imU  
            1    EFILE EX2    4.900000 ]!CMo+  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 g>` k9`  
            1    REFLECTOR tQ=3Oa[u  
            2    EAO    1.34300000  +~xY}  
            2    CV    0.0000000000000 gySCK-(y  
            2    AIR m31l[e  
            2    DECEN    0.00000000 rlxZ,]ul  
            2    AT    45.00000004 ymH>] cUm  
            2    EFILE EX1    1.950000 J5dwd,FQ  
            2    EFILE EX2    1.950000 kjAARW  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 >7g #e,d   
            2    REFLECTOR HiAj3  
            3    CV    0.0000000000000 Ckd j|  
            3    AIR ^UU@7cSi|G  
            3    DECEN    0.00000000 kU :ge  
            3    AT    45.00000004 tb$I8T  
            3    TH    10.00000001 NM FgCL  
            3    YMT    0.00000000 de7 \~$  
            4    CV    0.0000000000000 J9aqmQj('  
            4    AIR "x1?T+j4  
        END
D6+^Qmu"p  
3CL1Z\8To  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
~mBY_[_s=  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
HSwC4y}  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
qwhDv+o  
gXJtk;  
OBB的用法如下：
L6d^e53AP  
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， \ -n&z;`  
•    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。） ?+)>JvWDz  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 <JUumrEo  
•    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。 r+=%Ag  
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^Y 9  
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。 B*Z}=$1j  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 ._%8H  
当然，图像在轴上是完美的，但是慧差很大，这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 K<wg-JgA  
慧差有多严重？ 在PAD中，选择视图2，（在PAD工具栏中单击该编号 ），然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中，选择OPD Fan Plots选项，然后单击OK。
hMCf| e.UY  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
SfSWjq  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 W3+;1S$k  
以下是如何获得数据列表的：
rX(Ol,&oP  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode hy&WG&qf  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR hZIbN9)8A  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS Ly46S  
mUan(iJ  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 kxQ al  
    COLOR NUMBER    2 M{z&h>  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR _xsHU`(J#  
        YEN        OPD (WAVES) P(o GNKAS  
V~#8lu7;  
        -1.000    -2.355059 U| T}0  
        -0.800    -1.271960 |zbM$37 ?k  
        -0.600    -0.583027 x)R1aq  
        -0.400    -0.200234 GvzaLEo  
        -0.200    -0.035356 %E8HLTEvl  
        0.200    -0.005883 <=~*`eWV  
        0.400    0.035526 Ddh  
        0.600    0.212506 g es-nG-  
        0.800    0.613233 dvE~EZcS  
        1.000    1.325667
L,yq'>*5s  
"M;[c9  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 [jz@d\k$_  
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。
XE'3p6  
这是消除三阶慧差的一个例子。 .PD_Vv>C/>  
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。 _BEDQb{"|  
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：
vYybQ&E/  
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。 ,\ -4X  
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
o)wOXF  
   1 CAI 1.4
5KNa-\  
=}" P;4:  
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：
wwNkJ+  
    SYNOPSYS AI>CAP !5qV}5  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA ~ #jnkD  
    (Y-coordinate only) ~OMo$qt`lP  
"#:h#uRUb  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? _Tf %<E  
' %&-`/x  
        1     5.0007                Soft    CAO            * ~Qd|.T  
        1     1.4000                *User    CAI            * #Vhr 1;j  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * HXN. ,[  
        3     1.2378                Soft    CAO 33ZHrZ  
        4     0.7006                Soft    CAO '=H3Y_{oO  
hWiHKR]  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. 4Wu(Tps  
        RAO and RAI input is full aperture. usNq]  
    SYNOPSYS AI>
vjVa),2  
?pdN!zOeL  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
SBaTbY0  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
\maj5VlJ  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 tb>Q#QB&u  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框（Mtf OPtions）。 选择MTF的Multicolor选项，然后单击MTF按钮。
`46|VQAx  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 9.:&u/e  
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中，选择表面2，然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框，您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘，您可以在此处输入数据。 （或者，只要您识别出WS编辑窗格中的数字，就可以编辑它们。） BM9:|}\J65  
施密特 - 卡塞格林望远镜
I* P xQ  
    RLE T2A74>Nw  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE ac,<+y7A  
    FNAME 'SCT.RLE    ' r3Kx  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 rM4Ri}bS  
        APS    1 xouBBb=  
        GLOBAL UNITS INCH ?k=)T]-}  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 EUq6) K  
        MARGIN    0.050000 UhXVeGO  
        BEVEL    0.010000 u`XZtF<vf  
            0    AIR #'m#Q6`  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 g2vt(Gf;  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 l$!Z};mw0E  
            1    GTB S    'K5    ' &?I3xzvK  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 l}FA&c"  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 ^Ge|tBMoKE  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 7H)tF&  
            2    AIR r!^VCA  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 Oiw!d6"Ovq  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 !-7<x"avm  
                ZERNIKE    8    0.00022117 #bb$Icmtk  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 <899r \  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 KhPDXY]!  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 H:t2;Z'  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 -5\.\L3y)  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 !MOcF5M  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 dCWq~[[  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR S,s") )A1  
            3    AIR V.!z9AQ  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 4)9Pgp :  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 G&yF9s)Lvs  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 j[=P3Z0q  
            3    REFLEC    TOR 9Z:pss@  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR QaOF l` i  
            4    CC    -1.54408563 Ut(BQM>U+$  
            4    AIR rY"EW"y  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 ZO\bCrk  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 bR=TGL&  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 Ct0%3]<J  
            4    REFLEC    TOR ?`B6I!S0[  
            4    TH    29.18770982 n* z;%'0  
            4    YMT    0.00000000 %"3tGi:/  
                BTH    0.01000000 3H5<w4yk  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR b~+\\,q}  
            5    AIR hw&~OJeo  
        END
aV n+@g<.  
XE|"n  
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）。
>kV=h?]Y  
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
D|8h^*Ya  
    SYNOPSYS AI>SPEC wHErF #xo  
ZQ~EaI9R  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
rzKn5Z  
Wp=:|J   
透镜规格：
s`L>mRw`  
SYSTEM SPECIFICATIONS HF%)ip+  
(P nrY~9  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 zh4m`}p  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 ulXe;2  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 gjy:o5{vA*  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 }}v28"\TA  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 ="[6Z$R  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 j"<F?k@`Q  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 Xx=.;FYk  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 +'D #VG  
RTYhgq  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 wk6tdY{&s  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 zj'uKBDl  
COLOR ORDER    2    1    3 o(5 ( ]bJ  
UNITS    INCH K9UWyM<(2C  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 G6j9,#2@  
FOCAL MODE    ON 0Yc#fD  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 t-w4rXvF   
GLOBAL OPTION    ON gx6$:j;   
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 iLkP@OYgQ  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C 2ZFp(e^%  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. M{~KT3c  
SURFACE    DATA 2<+9lk  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER 2d-C}&}L\  
0    INFINITE        INFINITE    AIR AY%Y,< a  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT xr 4kBC t  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR mdIa`OZr  
0t}&32lL&  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- }Gm/9@oKc  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR #3Jn_Y%P.  
IMG    INFINITE V s1Z$HS`  
#k<j`0kiq  
KEY TO SYMBOLS ]+i~Cbj  
T>s3s5Y  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE m-!Uy$yM  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES a(`@u&]WZ  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP !`#xFRHe  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA HWT^u$a"  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP [O(8iz v  
)}jXC4  
SPECIAL SURFACE DATA *f$wmZ5A  
F]~>qt<ia  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL &\GB_UA  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 }W k!):=y  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL + %07J6  
3    -0.000228    2*R**2-1 IPT\d^|f  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 5m&Zq_Qe  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 l>O~^41[  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 )R'~{;z }  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 pe$l'ur  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 cfd7)(6  
u DpCW}  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 d% :   
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 F"Y.'my8  
>HY( Ij<  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
G\1\L*+0  
3R sbi  
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
na1*^S`[  
    ADEF 2 PLOT
3KW4 ]qo~  
jRP9e  
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。 [~<X|_L G  
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。 XNJPf) T  
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：
^xwnX=Np  
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。 i#Y[I"'  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
[_h/Dh C:+  
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：
?@i_\<A2  
继电器望远镜 2=PX1kI  
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
93*MY7j}  
    FETCH 4
MIJ^ n(-G  
;L458fYs  
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。 Gd8FXk,.!  
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。
M3U*'A\  
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。 ~S,R`wo  
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。
:"9P {xe^  
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。 (93+b%^[  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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