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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

Xa&0j&AH  
&^])iG,Ew  
本课程为小型望远镜的设计课程。 $ Q*^c"&  
牛顿望远镜 _SQ0`=+  
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：

`:EU~4s\  
    RLE p(S {k]ZL@  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR 3>buZ6vh  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 )W3kBDD  
        APS    1 k\lU Q\/O5  
        GLOBAL 5t[7taLX\  
        UNITS INCH QhmOO-Z?  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 -^= JKd &p  
        MARGIN    0.050000 zirnur1  
        BEVEL    0.010000 `Bv, :i  
            0 AIR +cx(Q(HD\  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH K7]IAV  
            1 CC    -1.00000000 n.xOu`gj  
            1 AIR 7>yb8/J  
            1    EFILE EX1    5.050680 <+e&E9;>6  
            1    EFILE EX2    4.900000 1Et{lrgh f  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 Xm[Cgt_?  
            1    REFLECTOR qiyJ4^1  
            2    EAO    1.34300000 NC{8[*Kx5  
            2    CV    0.0000000000000 1_G5uHO  
            2    AIR [35>T3Ku  
            2    DECEN    0.00000000 >Ms_bfSK  
            2    AT    45.00000004 A>QAR)YP  
            2    EFILE EX1    1.950000 ~`o%Y"p%rv  
            2    EFILE EX2    1.950000 wlfq$h p  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 F=~LVaF/_  
            2    REFLECTOR y'U-y"7y  
            3    CV    0.0000000000000 !jyy`q=  
            3    AIR :V:siIDn  
            3    DECEN    0.00000000 t{Gc,S!]5  
            3    AT    45.00000004 td\'BV  
            3    TH    10.00000001 gL6.,4q+1  
            3    YMT    0.00000000 hC...tk  
            4    CV    0.0000000000000 $h8,QPy  
            4    AIR s f<NC>-  
        END
*aS[^iX?s  
V?o%0V  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
wTPHc:2  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
r>x>aJ  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
_XUDPC(*qz  
2+qU9[kd|  
OBB的用法如下：
jin XK  
要在TrayPrompt中显示此信息，只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中， m15> ^i^W  
•    ump0 是入射的边缘光线角度，对于无穷远处的物体为零。 （OBB格式主要用于那种情况。） p#tbN5i[{7  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 g WHjI3;  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度，这里是5英寸，使入射光束直径为10英寸。 s. jcD  
yp1是表面1上的主光线高度，为零是因为它是光阑，其余参数是在X-Z平面，因为系提是轴对称的，我们可以忽略它。 如果您想了解更多，只需打开Object Wizard1 (MOW)，即可查看所有内容并能得到解释。 @w@ `-1  
宏编辑器中的代码易于阅读。 声明了平面1和2是反射面，主镜上的圆锥常数是-1.0，使其成为抛物面。 EFILE数据用于定义透镜的几何边缘形状，而且定义反射镜的厚度。 当然，这对光线追迹没有任何影响，但是在制作反射镜的加工图纸时，合适的边缘才会适于加工。 我们将在第23课中更详细地讨论该主题。 @[w.!GW%  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 "y$s`n4Mj  
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。 ,3FG' q2  
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。
%Y<3v \`_  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
*K2fp=Ns  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 "c0Nv8_G  
以下是如何获得数据列表的：
WS1$cAD2N  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode @sLB _f  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR _cD-E.E%  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS OA{PKC  
,ku3;58O<  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 $%0A#&DVh  
    COLOR NUMBER    2 ^DOQ+  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR C&-]RffA  
        YEN        OPD (WAVES) F@Cxjz  
XZ[3v9?&n  
        -1.000    -2.355059 <;':'sW  
        -0.800    -1.271960 W`` -/  
        -0.600    -0.583027 e? n8S  
        -0.400    -0.200234 _Q6` Wp6m  
        -0.200    -0.035356 (`FY{]Wz!  
        0.200    -0.005883 eCXw8  
        0.400    0.035526 b{hdEb  
        0.600    0.212506 _/)HAw?k  
        0.800    0.613233 \K(QE ~y'W  
        1.000    1.325667
$>!tpJw  
oiNt'HQ2/  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 1n|K   
我们可以使用图像工具（MIT）对话框。 输入MIT，然后进行如下所示的选择。
^9A,j} >o-  
这是消除三阶慧差的一个例子。 A N 'L- E  
尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法，而衍射方法评估衍射积分，减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源，并且在这里肯定更好。 co [  
图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化？ SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中，单击“检查点”按钮， 然后转到WorkSheet。 单击表面1（或在框中输入该数字，然后单击“更新”）。 现在，使用鼠标，选择给出圆锥常数的整数：
cy!;;bB  
然后单击SEL按钮。顶部滑块现在控制该数值的变化。向左或向右拖动滑块并观察PAD显示。 这些滑块为您提供了透镜连续变化的效果。 &)#bdt[  
我们现在将评估轴上的图像质量。在WS仍处于打开状态时，在编辑窗格中输入
E.+BqWZ!  
   1 CAI 1.4
h$rk]UM/Q  
zTS#o#`!\  
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：
Xhm)K3RA*T  
    SYNOPSYS AI>CAP 4'BZ+A,p  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA n>i}O!agg  
    (Y-coordinate only) GMQKR,6VM  
&1$|KbmV4  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? 9Jj:d)E>o  
`CF.-Vl3J#  
        1     5.0007                Soft    CAO            * ?N(opggiD  
        1     1.4000                *User    CAI            * W+D{4:  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * h;S?  
        3     1.2378                Soft    CAO !+Us)'L  
        4     0.7006                Soft    CAO 2L|)uCb  
"=vH,_"Ql  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. Z }s56{!.  
        RAO and RAI input is full aperture. dId&tTMmC  
    SYNOPSYS AI>
]aTF0 R  
;Br #e1~  
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”。
W:*  {7qJ  
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
`g!NFp9q  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。  '  
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。
J1gLT $  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 ?)L X4GY  
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。） G+zIh}9  
施密特 - 卡塞格林望远镜
uhO-0H  
    RLE JPGEE1!B{b  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE Yo;Mexo!  
    FNAME 'SCT.RLE    ' MZK%IC>  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 w!~85""  
        APS    1 (7J (.EG2e  
        GLOBAL UNITS INCH >[a&,gS  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 ^U[yk'!Y  
        MARGIN    0.050000 ]0@ 06G(y  
        BEVEL    0.010000 Bl!R bh\  
            0    AIR QDpzIjJj  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 ePxwN?  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 UTph(U#  
            1    GTB S    'K5    ' XYdr~/[HPy  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 3~6,fTMz{  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 6BIr{SY  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 9G=HG={  
            2    AIR >nOzz0,  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 j^qI~|#  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 !j-JMa?  
                ZERNIKE    8    0.00022117 \>nY%*  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 g&`[r6B  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 S1G3xY$0  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 Zq\Vq:MX  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 ]#t5e>o|  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 'e5,%"5(c  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 MR-cOPn  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR WuUT>om H  
            3    AIR jhkNi`E7  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 PuoN<9 #  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 $1b x\  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 Jl|^  
            3    REFLEC    TOR CyEEE2cV  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR (X(c.Jj  
            4    CC    -1.54408563 !:|[?M.`  
            4    AIR (3fU2{sm  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 7R5!(g  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 "'\f?A9  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 0f3C; u-q-  
            4    REFLEC    TOR aT`. e  
            4    TH    29.18770982 ti}G/*4  
            4    YMT    0.00000000 nk^-+olm  
                BTH    0.01000000 z}f;_NX  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR  &j_:VP  
            5    AIR |cd=7[B  
        END
6> Ca O  
9o|#R&0  
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）。
BLQD=?Q  
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
%eDJ]\*^X  
    SYNOPSYS AI>SPEC > g=u Y{Rf  
!-Br?  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
9 &p;2/H  
t ?404  
透镜规格：
j+7ok 5J#  
SYSTEM SPECIFICATIONS [[8.Xb  
z(dX<  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 B@@j-  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 <rAk"R^  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 *zn=l+c  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 >h<bYk"9Q  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 2*1FW v  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 /'g"Ys?3  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 $,L,VYN  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 EU@XLm6  
\NI0rL  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 vspub^;5\  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 :U$U:e  
COLOR ORDER    2    1    3 ;V"(! 'd  
UNITS    INCH vhaUV#V"  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 XOi[[G}  
FOCAL MODE    ON ZUxlk+o9d  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 VG+WVk  
GLOBAL OPTION    ON b/ dyH  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 ^vH3 -A;*  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C  ;%tu;  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. Vn1hr;i]  
SURFACE    DATA )TFBb\f>v  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER "-;l{tL  
0    INFINITE        INFINITE    AIR KB^i=+xr  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT {f }4l  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR `*hrU{b  
z LHE;  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- 3x{2Dhi  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR m;]glAtt  
IMG    INFINITE rJ UXA<:2  
dfoFs&CSKh  
KEY TO SYMBOLS sXaIQhZ  
&^W91C?<6  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE r+WY7'c  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES wWNHZ v&  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP 6Wabw:  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA @xI:ZtM  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP &@MiR8  
3h|:ew[  
SPECIAL SURFACE DATA @]0;aZ{3  
<_tkd3t#W  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL *NDM{WB|)  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 VY9|8g/  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL pwvcH3l/r  
3    -0.000228    2*R**2-1 URFp3qE  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 $"/xi `  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 "7k 82dw  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 G#pRBA^  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 ZAG ia q  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 ! awfxH0  
{G D<s))  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 7.o:(P1??g  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 oVLgHB\zL  
j5EZJ`  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
6DFF:wrm&  
M=hH:[6 &  
表面2被定义为Zernike多项式非球面。 让我们看看那个表面是什么样的。 输入
Q6G-`&5  
    ADEF 2 PLOT
BF_R8H,<%  
?1?zma S  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离，在这种情况下，球体非常接近平坦。 /@<Pn&Rq  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差，尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显，由S光扇图和T光扇图表示。 {5=Iu\e  
让我们从菜单树开始，然后转到MDI（Menu, Diffraction Image）。 选择MPF（或只在CW中输入MPF）。 选择Show visual appearance并单击Execute：
m"<Sb,"x!  
左下角的图像是轴上图像，而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF，选择Show as surface选项，并将Height从默认值1更改为0。 b$f@.L  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
9$z|kwU  
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：
;: a>#{N  
继电器望远镜 3YG[~o|4  
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
4X@ <PX5  
    FETCH 4
`!.)"BI/s  
GN4'LU  
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。 zw`T^N#  
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。
1N_Gk&  
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。 )5}=^aqd  
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。
p`)GO.pz  
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。 Vs-])Q?7J  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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