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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

, };& tR  
cx,+k]9D  
本课程为小型望远镜的设计课程。 _!#@@O0p/h  
牛顿望远镜 _=>He=v/  
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：

`K"L /I9  
    RLE _IMW {  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR ; T\%|O=Ke  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 PJ')R:e,  
        APS    1 uuEV_"X  
        GLOBAL BX/8O<s0  
        UNITS INCH #&+{mCjs  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 P.se'z)E  
        MARGIN    0.050000 N>uRf0E>  
        BEVEL    0.010000 e}voV0y\v:  
            0 AIR h#I>M`|  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH s3N'02G  
            1 CC    -1.00000000 8bGd} (  
            1 AIR 1}+3dB_s  
            1    EFILE EX1    5.050680 \0gis#  
            1    EFILE EX2    4.900000 Ng&%o  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 AD> e?u  
            1    REFLECTOR TvoyZW\?w  
            2    EAO    1.34300000 KRbvj  
            2    CV    0.0000000000000 !vi> U|rh  
            2    AIR `?H]h"{7Q  
            2    DECEN    0.00000000 2y\E[jA  
            2    AT    45.00000004 evJ4C#Pr  
            2    EFILE EX1    1.950000 J`Q>3] wL  
            2    EFILE EX2    1.950000 (y'hyJo  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 PN%zIkbo  
            2    REFLECTOR , u=`uD  
            3    CV    0.0000000000000 NSMyliM1Y  
            3    AIR YRk(u7:0  
            3    DECEN    0.00000000 -/B+T>[nTb  
            3    AT    45.00000004 .Z`R^2MU  
            3    TH    10.00000001 &, vcJ{.  
            3    YMT    0.00000000 `cn#B BV  
            4    CV    0.0000000000000 x^qVw5{n  
            4    AIR ~%F9%=  
        END
=[ 46`-_  
1#g2A0U,  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
*-WpZGh  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
QhFV xCA  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
h8j.(  
3Aip}<1  
OBB的用法如下：
0 JS?;fk  
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， X #dmo/L8  
•    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。） M7\szv\Zc=  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 TprTWod2]t  
•    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。 tIi&;tw]  
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。 `RT>}_j  
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。 68|E9^`l  
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。 ;V_e>TyG  
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。 Hvauyx5T  
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。
w(Ovr`o?9t  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
?,Xw[pR  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 KkyVSoD\  
以下是如何获得数据列表的：
+ J{IRyBc  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode HWAdhDZ  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR s+Pq&<nV-  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS +^ac'Y)A  
,,.QfUj/&  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 ;+_:,_  
    COLOR NUMBER    2 5~U/   
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR {W`%g^Z|H  
        YEN        OPD (WAVES) u#fM_>ML  
c ]-<vkpV  
        -1.000    -2.355059 mIvx1_[  
        -0.800    -1.271960 K3&qq[8.e  
        -0.600    -0.583027 c]<5zyl"j1  
        -0.400    -0.200234 wu6;.xTLl  
        -0.200    -0.035356 s) t@ol  
        0.200    -0.005883 -IudgO]  
        0.400    0.035526 MY)O^I X$  
        0.600    0.212506 octL"t8w  
        0.800    0.613233 **0~K";\  
        1.000    1.325667
Wi<m{.%\E  
{?0lBfB"  
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。 9RL`<,Q  
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。
Jr4Ky<G_i  
这是消除三阶慧差的一个例子。 P;no?  
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。 ;1=1:S8  
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：
2.y-48Nz  
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。 kazzVK5x  
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
]0OR_'?,  
   1 CAI 1.4
:4w ?#  
3`?7 <YJ  
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：
S+6.ZZ9c  
    SYNOPSYS AI>CAP (E 3b\lST  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA \l0[rcEf  
    (Y-coordinate only) V &T~zh1  
'oVx#w^mf  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? A\DCW  
v/plpNVp >  
        1     5.0007                Soft    CAO            *  > |=ts  
        1     1.4000                *User    CAI            * UDFDJm$  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * $wa{~'  
        3     1.2378                Soft    CAO {Mk6T1Bkq  
        4     0.7006                Soft    CAO _61gF[r4!Y  
6|=f$a  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. Rv>-4@fMJ  
        RAO and RAI input is full aperture. Y|qTyE%  
    SYNOPSYS AI>
Rp7mh]kZ  
Dy&i&5E.-l  
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”。
cVpp-Z|s8  
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
wJqMa9|  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 >R_&Ouh:  
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。
Y@iS_lR  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 >:!5*E5?  
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。） w2c?.x  
施密特 - 卡塞格林望远镜
BlO<PMmhT&  
    RLE s8Q 5ui]  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE f~[7t:WD*  
    FNAME 'SCT.RLE    ' gJ{)-\  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 6MW{,N  
        APS    1 OT*mO&Z  
        GLOBAL UNITS INCH J;e2&gB  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 i]4I [!  
        MARGIN    0.050000 gD?l-RT>  
        BEVEL    0.010000 "k@/ 3  
            0    AIR u=sp`%?  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 j$:~Rek  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 JbbzV>  
            1    GTB S    'K5    ' |df Pki{  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 n>XdU%&  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 rlLMT6r.8  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 3d]S!=4H"  
            2    AIR HC8e>kP9b  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 WH}y"W  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 "S]TP$O D  
                ZERNIKE    8    0.00022117 p l0\2e)  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 Vb_4f"  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 BU_nh+dF  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 T^KKy0ZGM  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 X_h}J=33Q  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 %> eiAB_b  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 Yq KCeg  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR Z9|P'R(l  
            3    AIR 0,")C5j  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 *] X'( /b_  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 ~>|ziHx  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 R m( "=(  
            3    REFLEC    TOR &8lZNv8;(p  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR l_p2Riv  
            4    CC    -1.54408563 a~w$#fo"`f  
            4    AIR o+'6`g'8  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 rILYI;'o  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 sgFEK[w.y  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 4hj|cCrO  
            4    REFLEC    TOR k(HUUH_z  
            4    TH    29.18770982 7[)E>XRE  
            4    YMT    0.00000000 XL ^GZ  
                BTH    0.01000000 M= (u]%\  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 9'B `]/L  
            5    AIR JZ x[W&]zT  
        END
bt?5*ETA  
HRA|q  
注意如何在PAD中的光扇图上识别渐晕光线。 在这里也将遵循Switch 21（如果您更愿意看到默认显示，可以将其关闭）。
!a\^Sk /  
在SPEC列表中，您会看到表面2和4是非球面的，在半径列后面用“O”表示
eR>oq,  
    SYNOPSYS AI>SPEC CU0YIL  
z$sT !QL~  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
/n&&Um\  
9(Xn>G'iT  
透镜规格：
He@KV=  
SYSTEM SPECIFICATIONS K&-"d/QuLg  
At;LO9T3z  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 ;uGv:$([g  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 / ;$[E  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 }GM'.yutX  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 ;^L(^Hx  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 307I$*%W  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 QT}tvm@PMq  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 2=}FBA,2  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 Q>z8IlJ}  
X?Q4}Y  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 yHaGkm  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 UiNP3TJ'L  
COLOR ORDER    2    1    3 :`sUt1Fw.  
UNITS    INCH Id9TG/H7  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 Y]a@j !  
FOCAL MODE    ON (9)Q ' 'S  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 6S #Cl>v  
GLOBAL OPTION    ON p#tI;"\y  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 i6Gu@( 8Q  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C /-s6<e!  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. r JB}qYD  
SURFACE    DATA /dHF6yW  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER yhJ@(tu.Gd  
0    INFINITE        INFINITE    AIR ar,7S&s H  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT j>kqz>3  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR +ZV5o&V>  
t{>q|0  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- wd6owr  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR <UCl@5g&  
IMG    INFINITE U0+-W07>  
hbn([+xY  
KEY TO SYMBOLS j<$2hiI/?&  
X8\GzNE~R  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE <VE@DBWyl~  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES >Q*Wi  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP F0# 'WfM#  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA w-jVC^C]  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP [F7hu7zY8  
Ys7]B9/1O  
SPECIAL SURFACE DATA ?7A>+EY  
d(K +);!  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL PvL[e"p  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 a'T;x`b8U,  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL 4M T 7`sr  
3    -0.000228    2*R**2-1 i#O SC5ZI  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 XPPdwTOr  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 gG uO  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 jiGTA:v  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 y7<|_:00  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 Wn6Sn{8W{  
Gm`8q}<I  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 (k P9hcV  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 QGz|*]  
Nboaf  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
4ppz,L,4  
F"kAkX>3}  
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
V[V[~;Py  
    ADEF 2 PLOT
~6gPS 13  
C# pjmT_  
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。 n+p }\msH  
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。 u&e~1?R  
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：
Fzcwy V   
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。 3c%caK  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
_v:SP LU  
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：
$Kd>:f=A  
继电器望远镜 'fW-Y!k%  
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
;@J}}h'y  
    FETCH 4
+ai< q>+  
tX[WH\(xI  
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。 d_ CT $  
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'ifLQ\  
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。 SfR%s8c`  
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。
j1Ezf=N6`  
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。 3XKf!P  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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