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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

FaeKDbLJr  
!mxH/{+|n  
本课程为小型望远镜的设计课程。 u+j\PWOtm  
牛顿望远镜 Or? )Nlg6x  
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：

["D!IqI :  
    RLE ?h[HC"V/2  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR (,h2qP-;ud  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 r-y;"h'  
        APS    1 T]%-Ri  
        GLOBAL ]Kt@F0U<o  
        UNITS INCH MKfK9>a  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 $9X+dvu*  
        MARGIN    0.050000 MDF_Xr-hZ  
        BEVEL    0.010000 |*c1S -#  
            0 AIR  @/s|<*  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH !Aj}sh{  
            1 CC    -1.00000000 $E@n;0P  
            1 AIR Uoe{,4T  
            1    EFILE EX1    5.050680 xq((]5Py  
            1    EFILE EX2    4.900000 "OenYiz  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 {IgH0+z  
            1    REFLECTOR U 3< 3T  
            2    EAO    1.34300000 9qftMDLZJ\  
            2    CV    0.0000000000000 i M !`4  
            2    AIR "s0,9; }  
            2    DECEN    0.00000000 y$%oR6 K7-  
            2    AT    45.00000004 ;O}%SCF7  
            2    EFILE EX1    1.950000 W_}j~[&  
            2    EFILE EX2    1.950000 W4o8]&A  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 Onq^|r's&  
            2    REFLECTOR ],weqs  
            3    CV    0.0000000000000 zpwoK&T+  
            3    AIR oMEW5.VX  
            3    DECEN    0.00000000 or*{P=m+R  
            3    AT    45.00000004 jc"sPrv5  
            3    TH    10.00000001 "kP,v&n  
            3    YMT    0.00000000 .zgh,#=  
            4    CV    0.0000000000000 &b|RoPV  
            4    AIR Odo)h  
        END
/Z6lnm7wJ  
7GO9z<m)  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
nz3*s#k\-  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
84WD R?  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
Ro]Z9C>1o  
zu1"`K3b  
OBB的用法如下：
kU/MvoV  
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， R$awo/'^  
•    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。） /F;2wT;  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 Q/SO%E`E  
•    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。 >+J}mo=*  
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。 M)#9Q=<  
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。 S' $;  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 zb{79Os[B  
当然，图像在轴上是完美的，但是慧差很大，这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 }*(_JR4G  
慧差有多严重？ 在PAD中，选择视图2，（在PAD工具栏中单击该编号 ），然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中，选择OPD Fan Plots选项，然后单击OK。
\1Y|$:T/  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
D\_nqx9O  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 |J!mM<*K  
以下是如何获得数据列表的：
8r(a wp  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode !+eU  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR -| FHv+  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS Zp7Pw   
:%h1Q>F  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 P*!`AWn  
    COLOR NUMBER    2 ~2k.x*$  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR rNk'W,FU  
        YEN        OPD (WAVES) eE'P)^KV  
"d)Yq Q  
        -1.000    -2.355059 -rU_bnm  
        -0.800    -1.271960 r2SZC`Z}-M  
        -0.600    -0.583027 DujVV(+I  
        -0.400    -0.200234 yz K<yvN  
        -0.200    -0.035356 RyK~"CWT  
        0.200    -0.005883 /p<9C?  
        0.400    0.035526 2L&c91=wE  
        0.600    0.212506 aM $2lR])J  
        0.800    0.613233 /[_aK0U3  
        1.000    1.325667
82@^vX  
Gl>\p  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 =Smd/'`_  
我们可以使用图像工具（MIT）对话框。 输入MIT，然后进行如下所示的选择。
8vuTF*{yZ  
这是消除三阶慧差的一个例子。 N~flao^  
尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法，而衍射方法评估衍射积分，减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源，并且在这里肯定更好。 Jpduk&u  
图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化？ SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中，单击“检查点”按钮， 然后转到WorkSheet。 单击表面1（或在框中输入该数字，然后单击“更新”）。 现在，使用鼠标，选择给出圆锥常数的整数：
y^ skE{  
然后单击SEL按钮。顶部滑块现在控制该数值的变化。向左或向右拖动滑块并观察PAD显示。 这些滑块为您提供了透镜连续变化的效果。 Pp } Z"  
我们现在将评估轴上的图像质量。在WS仍处于打开状态时，在编辑窗格中输入
r{.pXf  
   1 CAI 1.4
4wSZ'RTSR  
gfK_g)'2U  
然后单击“更新”按钮。 （CAI表示Clear Aperture，Inside。）现在，一个孔径出现在主镜像中。 再次单击“检查点”按钮。 （每当我们做出可能要返回的更改时，我们都会单击它。）在CW中输入CAP，您会看到列出的CAI数据：
~qqxHymc  
    SYNOPSYS AI>CAP 1|{s8[;8  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA _+48(Q F<  
    (Y-coordinate only) 5)< Y3nU~  
FXo.f<U  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? he~8V.$  
m+XHFU  
        1     5.0007                Soft    CAO            * ?w(hPUd!2  
        1     1.4000                *User    CAI            * <5G(Y#s/?  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * ; +\h$  
        3     1.2378                Soft    CAO /!0&b?  
        4     0.7006                Soft    CAO  +#,J`fV%  
(xW+* %  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. 9.(|ri  
        RAO and RAI input is full aperture. ]AA|BeL?|  
    SYNOPSYS AI>
Z$J-4KN  
[KBa=3>{  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
6qDt 6uB  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
.bY>++CAPA  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 We$ n  
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。
!@lx|= #  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 D4c'6WGb@  
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。） /x@aAJ|  
施密特 - 卡塞格林望远镜
f#&z m} t  
    RLE SLEOc OAmD  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE ifS#9N|8  
    FNAME 'SCT.RLE    ' ?<jWEz=  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ((`\i=-o5  
        APS    1 Lx>[`QT  
        GLOBAL UNITS INCH *0" ojfVn  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 WD\Yx~o  
        MARGIN    0.050000 $B?8\>_?  
        BEVEL    0.010000 ]*=!lfrV  
            0    AIR a0)w/A&  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 P Ptmh. }e  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 U+'zz#0qN  
            1    GTB S    'K5    ' E+i(p+=4  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 "y~*1kBu  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000  lha;|  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 4v>SXch  
            2    AIR ! 7V>gWhR  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 0V-jOc  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 Khd A;bF  
                ZERNIKE    8    0.00022117 445JOP  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 B~]6[Z  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 I )yaR+l  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 d:iJUVpr  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 .f0qgmIyL  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 &-FG}|*4M  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 (b~l.@xh  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR z&0[F`U  
            3    AIR ^U,iDK_  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 R"XycXn_$  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 Fc[vs52  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 Q\s+w){f%  
            3    REFLEC    TOR c`x4."m  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR w_>\Yd[  
            4    CC    -1.54408563 W8QP6^lY  
            4    AIR 5uG^`H@X  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 3.Mpd  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 YGPb8!  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 !X: TieyVu  
            4    REFLEC    TOR >'Lkn2WI  
            4    TH    29.18770982 w=?nD6Xhz  
            4    YMT    0.00000000 j5R0e}/r  
                BTH    0.01000000 l'4<^q  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 0xDn!  
            5    AIR OcMB)1uh\  
        END
| eCVq(R  
l8(9?!C  
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）。
(KN",u6F  
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
xU%]G .k  
    SYNOPSYS AI>SPEC E4o{Z+C  
qbSI98r w  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
{hN\=_6*EW  
/"="y'Wx  
透镜规格：
Wn6m$=  
SYSTEM SPECIFICATIONS uSYI X  
H (K!{k  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 2hNl_P~z1u  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 $X;OK  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 ^!exH(g  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 k(tB+k!vH\  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 \C~6 '  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 4 y}z+4  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 >0:3CpO*  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 bxPa|s?  
}@6yROy.  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 !Z>,dN  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 J V}7c$_  
COLOR ORDER    2    1    3 5l@} 1n  
UNITS    INCH 9$U>St  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 #t1? *4.p  
FOCAL MODE    ON R`$jF\"`r  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 h&i(Kfv*  
GLOBAL OPTION    ON b(mZ/2,B  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 KXx;~HtO  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C w(_:+-rqQ<  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. nm\f$K>Pg  
SURFACE    DATA !7~4`D c6U  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER `Ivt)T+n;  
0    INFINITE        INFINITE    AIR g,*fpk  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT .e5@9G.jb  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR _}j>  
.$d:c61X  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- r UZN$="N  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR ?$;&DoE  
IMG    INFINITE m,hqq%qz  
GCQOjqiR  
KEY TO SYMBOLS $l.8  
}Gb^%1%M  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE 9`/ywt3Y  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES hiVDN"$$  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP v@2?X4n  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA B ( h`~pb  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP gjK: a@{  
t3}_mJ  
SPECIAL SURFACE DATA -KbO[b\V  
Q$'\_zV  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL aB G*  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 j&.JAQ*2;  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL .'+JA:3R  
3    -0.000228    2*R**2-1 V^D 1:9i  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 R(y`dQy<K  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 *2pE39  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 JKp@fQT *  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 y&4im;X0  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 N/0Q`cQ-  
#Sg/  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 `ALQSo~l  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 Lrx"Hn{  
b0%#=KMi  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
WpI5C,3Z!l  
|`wJ {-  
表面2被定义为Zernike多项式非球面。 让我们看看那个表面是什么样的。 输入
;SA+| ,  
    ADEF 2 PLOT
3PzF^8KJ  
k ;vOPcw  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离，在这种情况下，球体非常接近平坦。 w+%p4VkA<r  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差，尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显，由S光扇图和T光扇图表示。 7S&O {Q7)  
让我们从菜单树开始，然后转到MDI（Menu, Diffraction Image）。 选择MPF（或只在CW中输入MPF）。 选择Show visual appearance并单击Execute：
=5pwNi_S  
左下角的图像是轴上图像，而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF，选择Show as surface选项，并将Height从默认值1更改为0。 }LIf]Y K  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
Bt\V1)  
您可以通过更改WS中的值来编辑Zernike项，但是还有一个对话框，按多项式列出它们，您可以通过单击按钮 从WS到达该对话框，您可以根据需要更改内容：
| ~D~#Nz  
继电器望远镜 n n8N 9w  
这个例子是几年前作者在地下室建造的中继望远镜。 1977年在Sky＆Telescope中描述了早期版本，但是这个版本有一个额外的中继透镜并且校正地更好。 它的文件名为4.RLE，您可以使用命令打开它
hA~5,K0b  
    FETCH 4
C}XB%:5H5  
|])Ko08*tE  
您还可以打开MWL（Menu, Window, Lens）以查看当前用户目录中的所有透镜文件，并为您单击的任何文件提供预览窗格。 G in  
这里显示的版本有一个16英寸直径的平面镜，所有表面都是球形的，与非球面设计相比，它易于加工。
b$Bq#vdg:  
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。 $U_1e'  
透镜形状分析，主镜的形状在背面被磨成锥形，用EFILE输入数据，用于描述元件的边缘。 在PAD中，单击按钮， ， 打开“边缘向导”（或输入MEW，菜单，边缘向导），如果未在WS中选择，则选择表面1。
[nsTO5G$u  
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。 aJNsJIY+  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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