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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

cy(w*5Upu  
T=~d. &J  
本课程为小型望远镜的设计课程。 N2 3:+u<)E  
牛顿望远镜 V;RgO}  
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：

NTX0vQG  
    RLE %U}6(~  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR H;_Ce'oU(  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 t\QLj&h}E  
        APS    1 XP!m]\E&I  
        GLOBAL B_[I/ ?  
        UNITS INCH 1E||ft-1i*  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 _IOUhMo  
        MARGIN    0.050000 uUx7>algF  
        BEVEL    0.010000 EpRn,[  
            0 AIR ^{IZpT3  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH 'l!\2Wv2  
            1 CC    -1.00000000 \WnTpl>B  
            1 AIR mX.mX70|J  
            1    EFILE EX1    5.050680 6RxI9{ry  
            1    EFILE EX2    4.900000 *) B \M>  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 rxMo7px@}I  
            1    REFLECTOR q$yg^:]2  
            2    EAO    1.34300000 nG5\vj,zB  
            2    CV    0.0000000000000 Y ~I>mc]  
            2    AIR |[5;dt_U/  
            2    DECEN    0.00000000 t@#5 G* _Q  
            2    AT    45.00000004 s}Go")p<:  
            2    EFILE EX1    1.950000 UE5,Ml~X  
            2    EFILE EX2    1.950000 `{K-eHlrM9  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 MIkp4A  
            2    REFLECTOR /@ g 8MUq7  
            3    CV    0.0000000000000 =ZU!i0 K  
            3    AIR SfPQ;s'  
            3    DECEN    0.00000000 r6Vw!^]8u8  
            3    AT    45.00000004 GwDOxH'  
            3    TH    10.00000001 0&| M/  
            3    YMT    0.00000000 WdS1v%  
            4    CV    0.0000000000000 g%]<sRl:-  
            4    AIR aw lq/  
        END
Jpp-3i.F#  
,%x2SyA  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
KLG.?`h:  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
&,PA+#  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
dn])6Xl;i  
TBJ?8W(  
OBB的用法如下：
WhH60/`  
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， Cb<7?),vK  
•    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。） !.V_?aYi8  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 tFn[U#'  
•    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。 Kc^ctAk7;  
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。 @,Dnl v|?  
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。 Yyd}>+|<,  
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。 3;}YW^oXq  
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。 {U3jJ#K  
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。
u&o4? ]6  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
b0h\l#6  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 ./7-[d  
以下是如何获得数据列表的：
6K8v:yYPa  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode #WG;p(?:  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR qgEzK  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS |p+FIr+  
8R\6hYJ%F  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 .^F&6'h1H  
    COLOR NUMBER    2 5Y`4%*$  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR +U,t*U4,  
        YEN        OPD (WAVES) MU] F'6V  
pcscNUp  
        -1.000    -2.355059 zSsBbu:  
        -0.800    -1.271960 RB""(<  
        -0.600    -0.583027 B$JPE7h@[P  
        -0.400    -0.200234 ^hEN  
        -0.200    -0.035356 vFLE%z{\o  
        0.200    -0.005883 ]!P6Z?  
        0.400    0.035526 /M]P&Zb |  
        0.600    0.212506 !(Y|Vm'   
        0.800    0.613233 c; .y  
        1.000    1.325667
Ux" ^3D  
d@JavcR  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 Pk5\v0vkg  
我们可以使用图像工具（MIT）对话框。 输入MIT，然后进行如下所示的选择。
E)I&? <g  
这是消除三阶慧差的一个例子。 [.$%ti*!  
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。 MGw XZ7?E  
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：
Jq>5:"jZ0  
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。 g0/ R\  
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
Gk58VODo  
   1 CAI 1.4
 L=!h`k  
^5 "yY2}-  
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：
l&] %APL  
    SYNOPSYS AI>CAP SU7,uxF  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA &V &beq4)p  
    (Y-coordinate only) `+TC@2-?  
4^Ks!S>K{8  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? n3/ Bs  
{}" <  
        1     5.0007                Soft    CAO            * *E|3Vy{4  
        1     1.4000                *User    CAI            * (l2n%LL]*  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * c(3idO*R)  
        3     1.2378                Soft    CAO `N}'5{I  
        4     0.7006                Soft    CAO ^eRbp?H*T  
z'>b)wY](  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. XNvlx4  
        RAO and RAI input is full aperture. \Z~@/OVc  
    SYNOPSYS AI>
#f=41d%  
M M @&QaK  
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”。
m9 D*I1  
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
7Fa1utV I  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 0H'G./8  
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。
r:U<cL T[9  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 ct(euPU  
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。） =7~;*Ts  
施密特 - 卡塞格林望远镜
11A;z[Zk  
    RLE .k!2{A  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE TPN1Rnt0`  
    FNAME 'SCT.RLE    ' uAk>VPuuZ  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 #iD`Bg!VXc  
        APS    1 yzNDXA.  
        GLOBAL UNITS INCH KAr5>^<zw  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 2'ws@U}lR  
        MARGIN    0.050000 G)3r[C^[k  
        BEVEL    0.010000 gd]k3XN$f  
            0    AIR C6tfFS3bq  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 A4L.bBl  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 te>Op 1R  
            1    GTB S    'K5    ' 6LT.ng  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 _(@V f=t  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 3Z}m5f`t  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR P!&yYR\  
            2    AIR X4bZ4U*  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 QT"o"B  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 V-dub{K  
                ZERNIKE    8    0.00022117 cS#| _  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 ~!Rf5QA85  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 3XUie;*`  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 7u%OYt D E  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 OR10IS  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 m\ @Q}  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 a{}8030S  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR  |L  <  
            3    AIR JWxSN9.X  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 2d OUY $4  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 HNX/#?3  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 KM oDcAjH  
            3    REFLEC    TOR D<^K7tJui  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR ,YrPwdaTB  
            4    CC    -1.54408563 bg*@N  
            4    AIR R8j\CiV17  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 gYw=Z_z  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 1=jwJv.^/  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 "(;t`,F  
            4    REFLEC    TOR |@MGGAk  
            4    TH    29.18770982 1L _(n  
            4    YMT    0.00000000 OV7SLf  
                BTH    0.01000000 2$joM`j$  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR cN: ek|r  
            5    AIR 5pxw[c53#  
        END
Lyjp  
vPu {xy  
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）。
~=Fp0l)#  
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
HwBJUr91]  
    SYNOPSYS AI>SPEC }Szs9-Wns  
3=^B &AB  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
1KI5tf>>p  
3hR3)(+1  
透镜规格：
%wmbFj}  
SYSTEM SPECIFICATIONS )KN]"<jB  
J~5+=V7OV  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 %Q5 |RL D  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 r 4+%9)  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 xcXnd"YYE  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 ek0,@Vg9  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 N6/;p]|  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 Y:5Gp8Vi  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 V_H0z  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 b5UIX Kim  
^A t,x  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 9Qc=D"'  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 RV6|sN[x>  
COLOR ORDER    2    1    3 t",b.vki\z  
UNITS    INCH I- WR6s=  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 $7&t`E)qY  
FOCAL MODE    ON NYF 7Ep; _  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 PA${<wyBR_  
GLOBAL OPTION    ON 7V;wCm#b  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 d>`s+B9K0  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C 0d #jiG  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. <Lfo5:.  
SURFACE    DATA K55]W2I9  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER +bcJm  
0    INFINITE        INFINITE    AIR MVe4[<  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT jH]?vpP  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR d /`d:g  
-ob1_0  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- hXP'NS`iv  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR N5@l[F7I  
IMG    INFINITE 690;\O '  
"5$2b>_UE  
KEY TO SYMBOLS 4*_.m9{  
#s|/5[i  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE {s~t>Rp+  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES fTV}IP  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP , Y cF~  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA oa8xuFu(n  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP ?H(']3X5@  
+>o} R?xj  
SPECIAL SURFACE DATA Q`[J3-Q*{  
mu&%ph=  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL eR:!1z_h  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 D=!5l4  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL Xe:e./@  
3    -0.000228    2*R**2-1 _D~FwF&A  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 Uk= L?t  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 v L!?4k  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 cR/z;*wr7  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 Tyt1a>! qA  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 ev%}\^Vl[  
* odwg$  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 Ox}a\B8  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 P)&qy .+E0  
 e6hfgVN  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
YV/JZc f  
2sNV09id  
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
nM6/c  
    ADEF 2 PLOT
'7/c7m/$X<  
xBK is\b  
上图中的黑色曲线显示了表面和最贴近的球体的偏离，在这种情况下，球体非常接近平坦。 kJG0X%+w  
PAD中的光扇图显示系统没有彗差和球差，尽管有一点点的色球差。 场曲比较明显，由S光扇图和T光扇图表示。 _q1E4z  
让我们从菜单树开始，然后转到MDI（Menu, Diffraction Image）。 选择MPF（或只在CW中输入MPF）。 选择Show visual appearance并单击Execute：
|;(0]  
左下角的图像是轴上图像，而右上角是视场的边缘图像。让我们以不同的格式来检查它。 返回MPF，选择Show as surface选项，并将Height从默认值1更改为0。 @DA.$zn&  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
tAH0o\1;  
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：
u(Y?2R  
继电器望远镜 %t J@)  
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
cr<ty"3\  
    FETCH 4
$ jgEB+  
29AWg(9?aS  
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。 P`!31P#]L  
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。
yOXL19d@p_  
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!~T!p=  
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。
? _Y2'O  
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。 "qvJ-Y  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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