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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

bG.`>
rJ6N'vw>
本课程为小型望远镜的设计课程。 A&-2f]L tl
牛顿望远镜 L0%W;m
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：

r=RiuxxTq
    RLE brqmi<*9"[
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR =6fJUy^M\
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Vm I Afe
        APS    1 Nh4&3"g|
        GLOBAL ):L0{W{
        UNITS INCH _4k zlD
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 oHV!>K_D
        MARGIN    0.050000 x;STt3M~
        BEVEL    0.010000 K)n058PO
            0 AIR CX5>/
            1 RAD    -160.0000000000000    TH Wh%@
            1 CC    -1.00000000 <fgf L9-
            1 AIR iWe'|Br
            1    EFILE EX1    5.050680 {HVsRpNEf
            1    EFILE EX2    4.900000 zx?|5=+!
            1    EFILE MIRROR    2.000000 S[&yO-=p6
            1    REFLECTOR Je K0><
            2    EAO    1.34300000 I "R<XX
            2    CV    0.0000000000000 m'ZxmsFo
            2    AIR $JK,9G[Vu
            2    DECEN    0.00000000 2ryg3%+O
            2    AT    45.00000004 jnFN{(VH
            2    EFILE EX1    1.950000 G{a_\'7
            2    EFILE EX2    1.950000 mJVru0
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 ZJjm r,1
            2    REFLECTOR +' .o
            3    CV    0.0000000000000 dA(+02U/.
            3    AIR 0o 8V8 :
            3    DECEN    0.00000000 !]z4'*)W
            3    AT    45.00000004 WBD"d<>'
            3    TH    10.00000001 *44E'Dxv
            3    YMT    0.00000000 Fa X3@Sd!
            4    CV    0.0000000000000 NV2$ >D
            4    AIR R:44Gv7
        END

如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：

通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：

rGQ([e
OBB 0.000000 0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000

OBB的用法如下：

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，
•    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。）
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。
•    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。
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。
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。
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。
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。
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。

1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。

是的，在外视场大概有两个波长的慧差。
以下是如何获得数据列表的：

R)]+>M-.
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode 2)|G%f_lS
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR ebf/cCh
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS +,4u1`c|$
fvV5G,lD3h
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 >ZnnGX6$(
    COLOR NUMBER    2 #sf1,k5'
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR x\Kt}/97e
        YEN        OPD (WAVES) Fma#`{va
jh~E!%d77
        -1.000    -2.355059 B5#>ieM*
        -0.800    -1.271960 i#Z#(D `m
        -0.600    -0.583027 z3|5E#m
        -0.400    -0.200234 %/%TR@/
        -0.200    -0.035356 !=vd:,
        0.200    -0.005883 )p 8P\Rl
        0.400    0.035526 7$JE+gL/7
        0.600    0.212506 " 8g\UR"[
        0.800    0.613233 Rs "#gT
        1.000    1.325667

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。
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。

这是消除三阶慧差的一个例子。
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。
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：

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。
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

j k/-7/r
1 CAI 1.4

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：

?p &Xf>K
    SYNOPSYS AI>CAP jlaC: (6
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA Ev1gzHd!i
    (Y-coordinate only) _>Oc>.MB
cbv%1DT3
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? bMN]co
a}kPc}n\
        1     5.0007                Soft    CAO            * ~4`3p=$
        1     1.4000                *User    CAI            * SM[VHNr,-
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * NrfAr}v'E
        3     1.2378                Soft    CAO 8:"s3xaO3
        4     0.7006                Soft    CAO '17V7A/t
'],G!U(
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. `&FfGftc
        RAO and RAI input is full aperture. Y?JB%%WWI
    SYNOPSYS AI>

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”。

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

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。

这个遮挡确实使中频处的MTF下降。
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。）
施密特 - 卡塞格林望远镜

>ToI$~84
    RLE 7J5Yzu)D
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE J''lOj(@
    FNAME 'SCT.RLE    ' 5_4=(?<
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 [&:dPd1_
        APS    1 ZEG~ek=jM
        GLOBAL UNITS INCH 9PJnKzQ4
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 dRXrI
        MARGIN    0.050000 :hDv^D?3
        BEVEL    0.010000 ]nm(V
            0    AIR 8l>YpS*S^
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 9Q&]5|x
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 F[~~fm_
            1    GTB S    'K5    ' K,@} 'N
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 m%)S<L7 l
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 ^ARkjYt
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR _ IlRZ}f
            2    AIR 4}*V=>z
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 N'I9J?e Q
                ZERNIKE    3    -0.00022795 *!`bC@E
                ZERNIKE    8    0.00022117 MN_1^T5
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 ,gIeQ!+vy
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 /_tN&[
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 L.%zs
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 {5JYu
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 1A N)%
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 7}vx]p2
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR ^2"w5F
            3    AIR =+"-8tz8FV
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 cp4~`X
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 a0hgF_O1
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 q`L}\}o
            3    REFLEC    TOR kvam`8SeL
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR UDHMNubB
            4    CC    -1.54408563 f!JSb?#3
            4    AIR Hh &s.ja
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 z"V`8D
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 >UV?nXP}
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 NtQ#su$
            4    REFLEC    TOR +l>X Z
            4    TH    29.18770982 {/!Yavx
            4    YMT    0.00000000 z#+Sf.
                BTH    0.01000000 $A>]lLo0
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR k j&hn
            5    AIR ^-s`$lTp
        END

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）。

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

hIwqSKq9
SYNOPSYS AI>SPEC (_eM:H=e>
*r iWrG
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:

透镜规格：

&M2fcw?
SYSTEM SPECIFICATIONS 6v&@Rlg
i[PksT#p
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 pYX!l:hk
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 *NQsD C.J^
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 '.#3h$d
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 5>rjL;
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 c~ Q5A
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 -p f9Wk
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 Fj1'z5$
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 fs*OR2YG7
3y*dBw
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 [ejl #'*5
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 0Yfz?:e
COLOR ORDER    2    1    3 &dJ\}O[r
UNITS    INCH 1f0maN
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 >@q4Uez
FOCAL MODE    ON :bz;_DZP
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 iL3k8:x
GLOBAL OPTION    ON 49dN~k=
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 [)nU?l
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C _6C,w`[[6
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. ^c:I]_Ww
SURFACE    DATA !6`&0eY
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER W";Po)YC
0    INFINITE        INFINITE    AIR HkyN$1s
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT _"- ,ia[D
2    INFINITE    O    20.17115    AIR !-q)9K?
?^{Ey[)'(
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- r+}<]?aT>-
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR 910N1E
IMG    INFINITE RzqU`<//
N1X;&qZDd
KEY TO SYMBOLS }62Q{>`
#,rP1#?
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE avxI%%|
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES :/i13FQ
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP UUxP4
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA wy?Hp*E
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP ;Dc\[r
"IJcKoB
SPECIAL SURFACE DATA lsB.>NlU
KL8WT6!RZ
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL WFMQ;
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 1:Xg&4s
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL 2w/qH4
3    -0.000228    2*R**2-1 HG[gJ7
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 QjyJmW("Z
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 *jo1?
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 P:c'W?
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 /5C>7BC
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 s:Z1 ZAxv
<`*v/D7\02
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 r%^XOw<'
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 T%1Kh'92
Fo&ecWhw
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>

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)94YT
ADEF 2 PLOT

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。
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。
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：

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。
实际上，视场的边缘图像非常模糊。

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：

继电器望远镜
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

3G-f+HN^E
FETCH 4

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。
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。

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。
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。

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。
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。

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