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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

Q /\Hc  
'GcZxF0  
本课程为小型望远镜的设计课程。 x; *KRO  
牛顿望远镜 mCx6$jz  
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：

m,]M_y\u  
    RLE Z?-l-s K  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR n-_-;TYH  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ~UJ_Rr54  
        APS    1 [HENk34  
        GLOBAL /=qn1  
        UNITS INCH /1lUFL2D  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 pc%_:>  
        MARGIN    0.050000 RA+k/2]y!  
        BEVEL    0.010000 ?wx|n_3<:  
            0 AIR "GofQ5,|  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH 2xd G&}$fa  
            1 CC    -1.00000000 $Mp#tH28  
            1 AIR ^T|~L<A3  
            1    EFILE EX1    5.050680 qcfLA~y  
            1    EFILE EX2    4.900000 vQ}llA h  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 Ofg-gCF8  
            1    REFLECTOR !(Y23w*  
            2    EAO    1.34300000 ,9p 4(jjX  
            2    CV    0.0000000000000 )y:~T\g  
            2    AIR Ol24A^  
            2    DECEN    0.00000000 mko<J0|4  
            2    AT    45.00000004 Hd)4_ uBt  
            2    EFILE EX1    1.950000 9YpD\H`  
            2    EFILE EX2    1.950000 'DQKpk'  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 Ui 7S8c#tH  
            2    REFLECTOR 7m=tu?@  
            3    CV    0.0000000000000 S0Y$$r  
            3    AIR 7 0:a2m  
            3    DECEN    0.00000000 mPxph>o  
            3    AT    45.00000004 F XOA1VEg  
            3    TH    10.00000001 wvA@\-.+  
            3    YMT    0.00000000 Dw^d!%Ala  
            4    CV    0.0000000000000 m>'sM1s  
            4    AIR /E@|  
        END
T0Q)}%L  
>_]j{}~\k  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
D EL#MD!  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
a<M<) {$u  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
=?3D:k7z  
yla&/K;|*  
OBB的用法如下：
8hi|F\$_h  
要在TrayPrompt中显示此信息，只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中， -lm\~VZT3  
•    ump0 是入射的边缘光线角度，对于无穷远处的物体为零。 （OBB格式主要用于那种情况。） (AdQ6eGMb  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 kQ~*iY  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度，这里是5英寸，使入射光束直径为10英寸。 `Q*L!/K+  
yp1是表面1上的主光线高度，为零是因为它是光阑，其余参数是在X-Z平面，因为系提是轴对称的，我们可以忽略它。 如果您想了解更多，只需打开Object Wizard1 (MOW)，即可查看所有内容并能得到解释。 Z*QsDS  
宏编辑器中的代码易于阅读。 声明了平面1和2是反射面，主镜上的圆锥常数是-1.0，使其成为抛物面。 EFILE数据用于定义透镜的几何边缘形状，而且定义反射镜的厚度。 当然，这对光线追迹没有任何影响，但是在制作反射镜的加工图纸时，合适的边缘才会适于加工。 我们将在第23课中更详细地讨论该主题。 _d&FB~=  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 ,&!Txyye  
当然，图像在轴上是完美的，但是慧差很大，这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 40oRO0p  
慧差有多严重？ 在PAD中，选择视图2，（在PAD工具栏中单击该编号 ），然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中，选择OPD Fan Plots选项，然后单击OK。
nqt;Ge M  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
RUmJ=i'4/  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 `Xnu("w)  
以下是如何获得数据列表的：
XFPWW,  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode e qQAst#~  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR &'UY V>  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS Q9Wa@gi|  
SqTO~zGC  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 =9e( )j  
    COLOR NUMBER    2 auqM>yx  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR d$/BF&n  
        YEN        OPD (WAVES) *?K3jy{  
iNgHx[*?  
        -1.000    -2.355059 jAmAT /1  
        -0.800    -1.271960 v"Fa_+TVx  
        -0.600    -0.583027 r"SuE:D  
        -0.400    -0.200234 1y l2i|m+  
        -0.200    -0.035356 lN)U8  
        0.200    -0.005883 69 R8#M  
        0.400    0.035526 1GVJ3VXt  
        0.600    0.212506 veg\A+:'  
        0.800    0.613233 _H|x6X1-  
        1.000    1.325667
n3-u.Fb  
eZ y)>.6Z  
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。 u<./ddC  
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。
Y!v `0z  
这是消除三阶慧差的一个例子。 X~GnK>R  
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。 7M<Ae D%  
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：
Zg%U4m:  
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。 s"<k) Xi  
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
a%7ju4CVj  
   1 CAI 1.4
eXWiTi@  
iTi<X|X  
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：
<P7f\$o~  
    SYNOPSYS AI>CAP 0Np }O=>  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA 0ejx; Mum  
    (Y-coordinate only) 6$w)"Rq  
B5aFt ;Vj  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? #Na3eHT  
wX" 6 S:  
        1     5.0007                Soft    CAO            * 9 W> <m[O  
        1     1.4000                *User    CAI            * xxgS!J  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * |AW[4Yn>  
        3     1.2378                Soft    CAO &F*s.gL  
        4     0.7006                Soft    CAO c%r?tKG6  
 qm&}^S  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. v_"p)4&'  
        RAO and RAI input is full aperture. ~cVFCM  
    SYNOPSYS AI>
Ey=(B'A~  
\T'uFy9&a  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
]d}Z2I'  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
}x`W+r  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 h.ojj$f,  
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。
sH(4.36+  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 LX'.up11X5  
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。） e3UGYwQ  
施密特 - 卡塞格林望远镜
ilEWxr;,  
    RLE bv$_t)Xh  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE *x2+sgSf_0  
    FNAME 'SCT.RLE    ' fGHYs  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 FA<|V!a  
        APS    1 4=td}%  
        GLOBAL UNITS INCH I4:4)V?  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 fi^ I1*S  
        MARGIN    0.050000 3r!6Z5P7{'  
        BEVEL    0.010000 P7O$*  
            0    AIR l^w=b~|7=  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 P?  VGY  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 #\[h.4i  
            1    GTB S    'K5    ' T_|%n F-+  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 wv>*g:El'  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 eRc+.m[  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR S#6{4x4  
            2    AIR Mh"DPt9@J  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 |9T3" _MmJ  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 b}< T<  
                ZERNIKE    8    0.00022117 5A oKlJrY  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 D*BZp0x  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 A(G%9'T  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07  \B) a57  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 6MQ+![fN  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 GOuBNaU {  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 +?Vj}p;  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR _jg&}HM  
            3    AIR ".A+'pJ  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 $mOVo'2  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 ivDmPHj{  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 IV*@}~BJ  
            3    REFLEC    TOR @TF^6)4f  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR `!WtKqr%B  
            4    CC    -1.54408563 P,U$ X+  
            4    AIR vaN}M)W/  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 cO/%;HEV  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 IZ+kw.6e  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 "&;8U.  
            4    REFLEC    TOR !=%0  
            4    TH    29.18770982 &J(+XJM%  
            4    YMT    0.00000000 XCr\Y`,Z@  
                BTH    0.01000000 .XDY1~w0  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR QP/%+[E.  
            5    AIR 7R9.g6j  
        END
Bu|U z0Y  
C_xO k'091  
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）。
P7ktr?V0a  
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
W[Kv Qt3%  
    SYNOPSYS AI>SPEC C><]o  
rP$vZ^/c  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
ms9zp?M  
W*?mc2;/  
透镜规格：
b{Srd3  
SYSTEM SPECIFICATIONS xS.Rpx/8  
vxuxfi8x  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 XfY~q~f8  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 [MLJs-*   
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 #m>Rt~(,S  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 ;VM',40  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 5'iJN$7  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 /tIR}qK  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 ,K4*0!TXP  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 81?7u!=ic+  
4cZig\mE;  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 x1H?e8  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 0LI:R'P+P[  
COLOR ORDER    2    1    3 ifA=qn0=}  
UNITS    INCH KKMzhvf]#  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 iV+'p->/  
FOCAL MODE    ON Jt-s6-2  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 Y)D~@|D,  
GLOBAL OPTION    ON dFdll3bC  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 9{OH%bF  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C 7\.Ax  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. PqOy"HO  
SURFACE    DATA P<+y%g(({  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER !sF! (u7  
0    INFINITE        INFINITE    AIR  ]J= S\  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT !83x,*O  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR {HgW9N(  
G5^gwG+  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- HSt|Ua.c/h  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR tykA69X\W  
IMG    INFINITE xP@VK!sc  
xx}R6VKU.  
KEY TO SYMBOLS 2>{_O?UN  
j/zD`yd j  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE f;/t7=>d  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES niO(>  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP Fa(}:Ug  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA T7;)HFGeW  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP _ Ko0  
FswMEf-|  
SPECIAL SURFACE DATA UI~ENG  
-X#J<u T/  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL b("JgE`  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 UT [9ERS  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL YtQKsM  
3    -0.000228    2*R**2-1 $ql-"BB  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 Q6S[sTKR  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 D} 0>x~  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 vg5zsR0u  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 /x_C  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 Fga9  
'4sT+q  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 !W:QLOe6F  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 6,G^iv6H  
OxF\Hm)(  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
pmCBe6n \l  
c7\bA7.  
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
D.Cm&  
    ADEF 2 PLOT
b&~uK"O'7d  
W&06~dI1!  
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。 d; #9xD'  
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。 MPzqw)_-v  
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：
N#.IpY'7Ze  
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。 L&3=5Bf9  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
bf;IJ|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：
56<LMY|d  
继电器望远镜 ?7&VT1  
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
He!0&B\7h  
    FETCH 4
95 ]%j\  
dN*<dz+4r  
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。 B8s|VI  
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。
3b&W=1J  
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。 G~esSL^G/  
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。
D[tGbk  
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。 1~`g fHI4  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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