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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

FT|*~_@  
V2g$"W?3  
本课程为小型望远镜的设计课程。 ]2h[.qa  
牛顿望远镜 wW%I < 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：

#H!~:Xu   
    RLE 7e8hnTzl8<  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR * uEU9fX  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 v/m`rc]e  
        APS    1 m9L+|r  
        GLOBAL cYbO)?mC_  
        UNITS INCH >E]*5jqU  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 e3S6+H),I  
        MARGIN    0.050000 46XB6z01  
        BEVEL    0.010000 an5Ss@<4AA  
            0 AIR HhqqJEp0  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH 8z/^Ql  
            1 CC    -1.00000000 G!rcY5!J  
            1 AIR \&TTe8  
            1    EFILE EX1    5.050680 1c}'o*K_%  
            1    EFILE EX2    4.900000 >p<( CVX[  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 PA,j;{,(b  
            1    REFLECTOR Ev^Xs6 }"  
            2    EAO    1.34300000 5Q%#Z L/'  
            2    CV    0.0000000000000 qb"!  
            2    AIR il#rdJ1@t  
            2    DECEN    0.00000000 Q'8v!/"}p{  
            2    AT    45.00000004 0(i`~g5  
            2    EFILE EX1    1.950000 qHKZ5w  
            2    EFILE EX2    1.950000 _p_F v>>:  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 92SB'T>  
            2    REFLECTOR VqbiZOZ@  
            3    CV    0.0000000000000 wZC'BLD  
            3    AIR s]I],>}RU  
            3    DECEN    0.00000000 v,M2|x\r}  
            3    AT    45.00000004 bTiw?i+6Dv  
            3    TH    10.00000001 B "qG-ci  
            3    YMT    0.00000000 4;*V^\',9  
            4    CV    0.0000000000000 zu^ AkMc  
            4    AIR >N,G@{FR  
        END
%]R#}amW  
YLCwo]\+>  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
Ja (/ym^  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
bkM$ Qo  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
w+MdQ@'5  
I}q-J~s  
OBB的用法如下：
- a=yi d  
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， G{"1  I  
•    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。） TtvS|09p;  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 MO D4O4z&  
•    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。 I#Bz UF  
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。 RhJ<<T.2  
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。 }Sh-4:-D  
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。 >u4e:/5]  
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。 =3T?U_u@  
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。
e7qT;  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
m!2Dk#t  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 B.WJ6.DkS  
以下是如何获得数据列表的：
"/ "qg  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode {jVFlKP>  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR G8&'*7Bb  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS ]S:@=9JB'  
kzmt'/L8  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 y{"E) YY  
    COLOR NUMBER    2 \%C[l  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR 5^Y/RS i  
        YEN        OPD (WAVES) UQ8x #(`ak  
N<{ `n;  
        -1.000    -2.355059 y8 Nb 8m  
        -0.800    -1.271960 R#`itIYh  
        -0.600    -0.583027 j*zK"n  
        -0.400    -0.200234 N:<O  
        -0.200    -0.035356 <2 Q@^  
        0.200    -0.005883 |. 6@-h~8  
        0.400    0.035526 BNy"YK$  
        0.600    0.212506 ep?0@5D}]  
        0.800    0.613233 m7"f6zSo(  
        1.000    1.325667
} -vBRY  
&8pXkD#A  
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。 _R<HC  
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。
]M2<I#hF.  
这是消除三阶慧差的一个例子。 zfZDtKq  
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。 n1t(ns|  
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：
}*'ha=`J  
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。 lkm(3y@']A  
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
TH|hrL;:8  
   1 CAI 1.4
sfV.X:ev  
Z C93C7lJ  
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：
.#@Dn(  
    SYNOPSYS AI>CAP d0B+syl&4l  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA K[[k,W]qb  
    (Y-coordinate only) /ZDc=>)~  
=F&RQ}$   
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? 8x" d/D  
k)s 7Ev*  
        1     5.0007                Soft    CAO            * @"!SU' *  
        1     1.4000                *User    CAI            * G|lI=Q3f  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * a%!XLyq  
        3     1.2378                Soft    CAO [Mz;:/  
        4     0.7006                Soft    CAO  62jA  
:#}`uR,D/  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. vR$5ItnT  
        RAO and RAI input is full aperture.  ?~.&Y  
    SYNOPSYS AI>
9ojhI=:  
,*[LnR  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
ra>`J_  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
qfu2}qUX~%  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 ku?_/-ko]  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框（Mtf OPtions）。 选择MTF的Multicolor选项，然后单击MTF按钮。
dLf8w>i`T  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 V+24-QWh  
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中，选择表面2，然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框，您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘，您可以在此处输入数据。 （或者，只要您识别出WS编辑窗格中的数字，就可以编辑它们。） }NCvaO  
施密特 - 卡塞格林望远镜
r%pFq1/'!  
    RLE 7Ca\ (82  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE r6JkoP Mh  
    FNAME 'SCT.RLE    ' ts<dUO  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 9/Dt:R3QU  
        APS    1 ap^=CEf   
        GLOBAL UNITS INCH od1omYsR  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 s RQh~5kM  
        MARGIN    0.050000 ]Rh( =bg  
        BEVEL    0.010000 q}$=bR1+  
            0    AIR }G+A_HF ^  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 `uVW<z{ l  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 i@5%d!J  
            1    GTB S    'K5    ' %uVJL z  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 _|3TC1N$n  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 \!Zh="hN  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 2?iOB6  
            2    AIR WV1 Z  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 4oV_b"xz~  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 DXW?;|8)O  
                ZERNIKE    8    0.00022117 > x ghq  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 %8CT -mQ  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 ^r*%BUU9]%  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 }.UI&UZ-  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 9jGuelwN  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 otf%kG w  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 *}ee"eHs  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR "P5bYq%0v  
            3    AIR NK9WrUj)  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 A;-z#R#V5  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 /lB0>Us  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 )]>G,.9C}  
            3    REFLEC    TOR \h7J/es^p!  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR ?w37vsN  
            4    CC    -1.54408563 #r.` V!=  
            4    AIR I.+)sB?5  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 ESxC{ "  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 B9IXa;  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 8;g.3Qv  
            4    REFLEC    TOR I49l2>  
            4    TH    29.18770982 9LO.8Jy  
            4    YMT    0.00000000 %C`'>,t>  
                BTH    0.01000000 OZ!$%.?l  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR `bZU&A(`Be  
            5    AIR 6!%d-Z7)  
        END
@=NVOJy}c  
5m.KtnT)  
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）。
+yb$[E*  
在SPEC列表中，您会看到表面2和4是非球面的，在半径列后面用“O”表示
qIGu#zXW  
    SYNOPSYS AI>SPEC J'ZFIT_>  
T dP{{&'9  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
AqbT{,3yW  
@SC-vc  
透镜规格：
oIvnF:c  
SYSTEM SPECIFICATIONS cxD}t'T  
L);||]B  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 r($_>TS&"  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 B2G5h baA  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 $]%<r?MUb-  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 n `m_S  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 adO!Gs9f?  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 noaN@K[GO  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 9U7Mu;4  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 LPapD@Z  
&=z1$ih>2\  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 #'4<> G]  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 WE5"A| =  
COLOR ORDER    2    1    3 3j+=3n,  
UNITS    INCH l|vWeBs  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 O,=Q1*c,&  
FOCAL MODE    ON WAwfL?  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 JMirz~%ib  
GLOBAL OPTION    ON yL ;o{ G  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 6)#- 5m  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C g<2lPH  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. x0u?*5-t  
SURFACE    DATA })zB".  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER jMf 7J  
0    INFINITE        INFINITE    AIR us\%BxxI9  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT hy$MV3LP  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR ol?z<53X]  
l&6U|q`  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- .#=j <&  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR `z-H]fU  
IMG    INFINITE vh|Tb5W<  
*Z]5!$UpC  
KEY TO SYMBOLS ?AV&@EX2C  
CJMaltPp&  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE I~p8#<4#b  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES 9n>$}UI\  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP T6h;Y  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA ^MW\t4pZ  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP %aj7-K6:t  
W{fULl  
SPECIAL SURFACE DATA HA^jk%53  
-+3be(u  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL Y )u_nn'[  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 )(h&Q? Ar  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL 9RG\UbX)^|  
3    -0.000228    2*R**2-1 r#_7]_3  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 v>#Cg \  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 c }<*~w;  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 Qq'i*Mh  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 :DZLjC  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 >AR Tr'B  
fKL'/?LD]  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 CS~=Z>6EjA  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 94T}iY.  
hl AR[]  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
KWFyw>*)  
Sk8%(JD7  
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
y#]}5gJ  
    ADEF 2 PLOT
gB(9vhj $  
R&6n?g6@/V  
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。 Ms.PO{wb  
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。 wrH7 pd  
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：
JQ*D   
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。 tO?21?AD D  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
"DVt3E  
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：
xK$}QZ)  
继电器望远镜 {iA^rv|  
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
r#LnDseW  
    FETCH 4
wENzlXeOP  
$z= 0[%L  
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。 >j&1?M2C  
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。
'n~fR]h}  
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。 j.k@6[ R>?  
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。
F|ETug n  
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。 .W!tveX8-  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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