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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

%8u9:Cl):  
~HGSA(  
本课程为小型望远镜的设计课程。 W|fE]RY  
牛顿望远镜 :$K=LV#Iru  
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：

!J;Bm,Xn6  
    RLE ,i}EGW,9q  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR <bhGpLh-E  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 9yTdbpY  
        APS    1 na $MR3@e  
        GLOBAL bR"4:b>K  
        UNITS INCH mB>0$l y  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 5<*E S[S  
        MARGIN    0.050000 wg)Bx#>\L:  
        BEVEL    0.010000 kZ@UQ{>`  
            0 AIR tL;.vRx  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH sjLMM_'  
            1 CC    -1.00000000 +|dL R*s  
            1 AIR azIhp{rH w  
            1    EFILE EX1    5.050680 l#v52  
            1    EFILE EX2    4.900000 } G{"Mp4  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 dF51_Kk  
            1    REFLECTOR n.9k5r@  
            2    EAO    1.34300000 :F"IOPfU5[  
            2    CV    0.0000000000000 o?/H<k\5  
            2    AIR T;BFO5G@  
            2    DECEN    0.00000000 jRiMWolLv  
            2    AT    45.00000004 w?u3e+  
            2    EFILE EX1    1.950000 ?`xF>P]M  
            2    EFILE EX2    1.950000  D~"a"  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 l:@=9Fp>  
            2    REFLECTOR H%l-@::+$  
            3    CV    0.0000000000000 9teP4H}m  
            3    AIR EMe1!)  
            3    DECEN    0.00000000 RYvdfj.ij  
            3    AT    45.00000004 ]}'bRq*]  
            3    TH    10.00000001 "#pxZ B=  
            3    YMT    0.00000000 *ezMS   
            4    CV    0.0000000000000 IfB .2e`  
            4    AIR Ump Hae  
        END
 yI|x 5f  
kw z6SObQ  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
 "9[2vdSX  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
;|XX^  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
;k@]"&t  
7t<h 'g2  
OBB的用法如下：
AEj%8jh  
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， jcJ@A0]  
•    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。） ]m`:T  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 '")'h  
•    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。 1!)'dL0mI  
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。 arR<!y7  
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。 gp$]0~[tO  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 Ppl :_Of  
当然，图像在轴上是完美的，但是慧差很大，这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 40 u tmC  
慧差有多严重？ 在PAD中，选择视图2，（在PAD工具栏中单击该编号 ），然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中，选择OPD Fan Plots选项，然后单击OK。
a.UYBRP/l  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
v9@_ DlV\  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。  I*f@^(  
以下是如何获得数据列表的：
`Mg3P_}=  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode #'f5owk>,  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR ;TDvk ]:  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS Sx~mc_ekY  
%e25Z .Se$  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 uAnL`  
    COLOR NUMBER    2 @6~m&$R/  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR f-i5tnh  
        YEN        OPD (WAVES) ]Q.S Is  
xv147"w'v  
        -1.000    -2.355059 y[Dgyt  
        -0.800    -1.271960 F ]D^e{y  
        -0.600    -0.583027 r@i)Sluf  
        -0.400    -0.200234 1Ci^e7|?  
        -0.200    -0.035356 #+Bz$CO  
        0.200    -0.005883 dzbbFvG  
        0.400    0.035526 hJ%$Te  
        0.600    0.212506 Cz5U  
        0.800    0.613233 |*ZM{$  
        1.000    1.325667
lUq `t K8  
$aT '~|?  
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。 $!p2Kf>/Q  
我们可以使用图像工具（MIT）对话框。 输入MIT，然后进行如下所示的选择。
l_04b];  
这是消除三阶慧差的一个例子。 m7A3i<6p  
尝试使用“效果”部分中的“几何”和“衍射”选项。 相干分析结果更平滑一些。 它使用2-D FFT算法，而衍射方法评估衍射积分，减小到约为Airy斑半径的6倍。 相干选择通常最适合点源，并且在这里肯定更好。 F&7Z(  
图像质量如何随着圆锥常数的变化而变化？ SYNOPSYS可以回答这个问题。 在PAD中，单击“检查点”按钮， 然后转到WorkSheet。 单击表面1（或在框中输入该数字，然后单击“更新”）。 现在，使用鼠标，选择给出圆锥常数的整数：
krlebPs[  
然后单击SEL按钮。顶部滑块现在控制该数值的变化。向左或向右拖动滑块并观察PAD显示。 这些滑块为您提供了透镜连续变化的效果。 &09~ D8f'  
我们现在将评估轴上的图像质量。在WS仍处于打开状态时，在编辑窗格中输入
)iIsnM  
   1 CAI 1.4
oMM@{Jp  
01 +#2~S  
然后单击“更新”按钮。 （CAI表示Clear Aperture，Inside。）现在，一个孔径出现在主镜像中。 再次单击“检查点”按钮。 （每当我们做出可能要返回的更改时，我们都会单击它。）在CW中输入CAP，您会看到列出的CAI数据：
>#S}J LZ  
    SYNOPSYS AI>CAP s^)(.e_  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA wS$ 'gKA6  
    (Y-coordinate only) H%=;pD>o  
k'F*uS  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? 4R01QSbd  
P9`CW  
        1     5.0007                Soft    CAO            * '>bn94$  
        1     1.4000                *User    CAI            * u@Ni *)p`  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * "tmu23xQ  
        3     1.2378                Soft    CAO r4 5}o  
        4     0.7006                Soft    CAO })mD{c/  
8&+u+@H  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. 1z,P"?Q  
        RAO and RAI input is full aperture. $_HyE%F#  
    SYNOPSYS AI>
QDK }e:4q  
1"<{_&d1  
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”。
VyIJ)F.c  
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
A2PeI"y  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 d[;&2Jz*  
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。
8ce'G" b  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 $S?xB$  
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。） ]d|M@v~c4  
施密特 - 卡塞格林望远镜
:$X dR:f}}  
    RLE RSM+si/  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE _-v$fDrz  
    FNAME 'SCT.RLE    ' F5UHkv"K&O  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 JNvgUb'U  
        APS    1 i3(5 '  
        GLOBAL UNITS INCH b?M. 0{"H  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 7Y 4D9pw  
        MARGIN    0.050000 X2np.9hie  
        BEVEL    0.010000 :q2RgZE  
            0    AIR fo9V&NE  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 oq>jCOVh  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 ?WS.RBe2  
            1    GTB S    'K5    ' o/RGzPR  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 iP^[xB~v  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 /Vv)00  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR _$}@hD*R~  
            2    AIR Z#;\Rb.x7  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 G" (ck4  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 [[4!b E  
                ZERNIKE    8    0.00022117 `Y '-2Fv  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 IMy!8$\u  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 ,>pv>)u{  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 -HFyNk]>  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 q}"HxMJ  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 p5nrPL  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 u<+RA  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR [Fd[(  
            3    AIR Qeq=4Nq  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 ?/Aql_?3  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 T(kG"dz   
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 Ojp|/yd^YL  
            3    REFLEC    TOR 7'{Y7]+z+  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR fAT M?  
            4    CC    -1.54408563 eoiC.$~\  
            4    AIR !-B|x0fs  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 5XNFu C9E  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 aU] nh. a  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 f(-3d*g  
            4    REFLEC    TOR R"71)ob4  
            4    TH    29.18770982 $! UEpQ  
            4    YMT    0.00000000 **n109R  
                BTH    0.01000000 [lj^lN8  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR =vKSvQP@)  
            5    AIR M[=sQnnSFW  
        END
<QK2Wc_}-"  
q0_Pl*  
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）。
I9cZZ`vs  
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
UO>S2u  
    SYNOPSYS AI>SPEC P76QHBbl  
cvnRd.&  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
f{R/rb&iB  
$Mqw)X&q  
透镜规格：
'n!Sco)C  
SYSTEM SPECIFICATIONS &PEw8: TX  
`vrLFPdO  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 tp+H]H3  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 4--[.j*W  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 fh}j)*K8  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 OQsF$% *   
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 '.tg\]|  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 4p/d>DTiM  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 =MMSmu5!  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 (fnp\j3w  
Q-f?7*>  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 _i1x\Z~ N  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 B#x.4~YX  
COLOR ORDER    2    1    3 r(/+- t  
UNITS    INCH _WHGd&u  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 K(p6P3Z  
FOCAL MODE    ON 4VfZw\^  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 *Q2}Qbu  
GLOBAL OPTION    ON NT [~AK9M  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 7-MkfWH2b6  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C s4{>7`N2  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. 2z0 27P-Q  
SURFACE    DATA Z"'tJ3Y.~  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER ioS(;2F  
0    INFINITE        INFINITE    AIR =!|= Y@  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT [cf!%3>53  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR G![JRJxQ  
97L# 3L6t  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- A"~4|`W  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR jr=erVHK  
IMG    INFINITE 'z3I*[!  
<;nhb  
KEY TO SYMBOLS yMbg1+:   
nf9NJ_8}4H  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE c0u1L@tj  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES %.VFj7J  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP ua>YI  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA M[7$cfp-Y~  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP Y|96K2BR  
E*X-f"  
SPECIAL SURFACE DATA rRzc"W}K+  
_iZ_.3 Ip  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL B`<K]ut  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 K/ 5U;oC  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL Z. G<'  
3    -0.000228    2*R**2-1 vX/("[  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 Doc_rQYku  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 IG=#2 /$  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 R;EdYbiF b  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 -{rUE +  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 MGE8S$Z  
_/`H<@B_U  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 E|v9khN(].  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 2\J-7o=P  
;o-c.-!F  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
7F@#6  
*'jI>^o  
表面2被定义为Zernike多项式非球面。 让我们看看那个表面是什么样的。 输入
's_[ #a;Vp  
    ADEF 2 PLOT
>s|zr S)  
8*Ke;X~N  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离，在这种情况下，球体非常接近平坦。 `4kVe= {  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差，尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显，由S光扇图和T光扇图表示。 {YigB  
让我们从菜单树开始，然后转到MDI（Menu, Diffraction Image）。 选择MPF（或只在CW中输入MPF）。 选择Show visual appearance并单击Execute：
/ U5!]7&gB  
左下角的图像是轴上图像，而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF，选择Show as surface选项，并将Height从默认值1更改为0。 %UokR"  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
I$HO[Z!  
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：
G24 Ov&H  
继电器望远镜 !rZ r:@  
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
rK} =<R  
    FETCH 4
ur K~]68  
"1HKD  
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。 b:t|9 FE%  
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。
qbD>)}:1  
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。 )]M,OMYq-  
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。
*BFG{P  
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。 >PmnR>x-rj  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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