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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

p*YV*Arv  
\21Gg%W5AE  
本课程为小型望远镜的设计课程。 M($GZ~ b%A  
牛顿望远镜 UMD\n<+cG,  
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：

Qu8=zI>t  
    RLE ~Cynw(  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR XA.1Y)  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 V7gL*,3>=  
        APS    1 awQGu,<N  
        GLOBAL HP<a'|r  
        UNITS INCH IIBS:&;+-  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 $*_79F2zN  
        MARGIN    0.050000 &P35\q   
        BEVEL    0.010000 z}$.A9yn  
            0 AIR sVmqx^-  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH IFa~`Gf[  
            1 CC    -1.00000000 M80O;0N%A  
            1 AIR w6mYLK%  
            1    EFILE EX1    5.050680 K~3Y8ca  
            1    EFILE EX2    4.900000 > MRuoJ  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 H)dZ0n4T  
            1    REFLECTOR , v=pp;  
            2    EAO    1.34300000 ubVZEsoW?  
            2    CV    0.0000000000000 OBF-U]?Y  
            2    AIR P&tw!B  
            2    DECEN    0.00000000 -w)v38iX!  
            2    AT    45.00000004 7,alZ"%W  
            2    EFILE EX1    1.950000 [fvjvN`  
            2    EFILE EX2    1.950000 CMv8n@ry  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 H`q[!5~8  
            2    REFLECTOR TA:#K  
            3    CV    0.0000000000000 =9p3^:S  
            3    AIR p-DHTX  
            3    DECEN    0.00000000 }rs>B,=*k  
            3    AT    45.00000004 ]8Xip/uE  
            3    TH    10.00000001 /?TR_>  
            3    YMT    0.00000000 $ZB`4!JxG  
            4    CV    0.0000000000000 TpYh)=;k  
            4    AIR Vr %ef:uVV  
        END
H}CmSo8&  
"}-S%v`)z  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
2<w vO 9  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
d1 kE)R  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
(#z6w#CU(  
_nX8f &  
OBB的用法如下：
V(io!8,  
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， &=:3/;c  
•    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] -cRf)9  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 %yl17: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。 M&Ln'BC  
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。 GWWaH+F[h  
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。 0O]v|  
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。 pDvznpQ  
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。 ,LmP >Q.  
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。
O;}K7rSc  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
MtoOIkQ  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 !gfd!R  
以下是如何获得数据列表的：
DpT$19Q+  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode p:0X3?IG3  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR iY&I?o!Ch  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS fWi/mK3c  
asCcBp  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 M1*bT@ 6  
    COLOR NUMBER    2 z%lJWvaA7  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR 8B(v6(h  
        YEN        OPD (WAVES) "QiLu=Rq  
>&7^yXS  
        -1.000    -2.355059 O(D2F$VlL  
        -0.800    -1.271960 T"gk^.  
        -0.600    -0.583027 r=54@`O!  
        -0.400    -0.200234 ]bpgsW:Xu  
        -0.200    -0.035356 Q[|*P ] w  
        0.200    -0.005883 (vchZn#  
        0.400    0.035526 hv\Dz*XTs0  
        0.600    0.212506 fz2}M:u  
        0.800    0.613233 #5'& |<  
        1.000    1.325667
n5IQKYr g  
%k )H7nj  
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。 #reW)P>  
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。
ijzwct#.  
这是消除三阶慧差的一个例子。 C4|OsC7J  
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。 ~(GN Y5  
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：
~vM99hW  
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。 Z|ZB6gP>h1  
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
S'hUh'PZ  
   1 CAI 1.4
?.H]Y&XF  
0'YP9-C3  
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：
^M;#x$Y?  
    SYNOPSYS AI>CAP U F*R1{  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA 3T4HX|rC  
    (Y-coordinate only) ('Uj|m}9  
._`rh  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? WjM7s]ZRv  
)4c?BCgy  
        1     5.0007                Soft    CAO            * fBv: TC%  
        1     1.4000                *User    CAI            * RgQs`aI  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * X;l/D},.  
        3     1.2378                Soft    CAO MtN!Xx  
        4     0.7006                Soft    CAO -V[x q  
N0vECk  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. n^O!93a  
        RAO and RAI input is full aperture. %%>nM'4<  
    SYNOPSYS AI>
mZPvG  
IAq o(Qm  
该系统有主要的默认孔径，尽管现在在表面1上存在用户输入的内孔径（CAI）以及表面2上的外椭圆孔径（EAO）。 （菜单MLL（Menu, Lens Listings）也允许您运行CAP命令。）让我们在主镜像上创建一个足迹。 使用菜单树导航到MFP（或在CW中输入MFP）。 然后进行下面的选择并单击“执行”。
~a&V sC#  
现在你看到没有光线的内部孔径。 这是一个巧妙的技巧：假设你不知道光线在哪里产生渐晕（有时会在复杂的透镜里发生）。 以下是如何找到它们的方法：首先点击键。 现在，单击“开关”按钮 ，然后单击单选按钮以打开开关21。SYNOPSYS™具有近100个控制开关的模式，此功能可使多个功能显示光阑的表面编号。 单击“应用”，然后再次运行“足迹”命令。 它将创造一个如下的视图
%d(= >  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 :2,NKdD  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框（Mtf OPtions）。 选择MTF的Multicolor选项，然后单击MTF按钮。
?2dI8bG  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 4K? \5(b  
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中，选择表面2，然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框，您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘，您可以在此处输入数据。 （或者，只要您识别出WS编辑窗格中的数字，就可以编辑它们。） )7o? }"I  
施密特 - 卡塞格林望远镜
32%Fdz1S  
    RLE 2l^_OrE!  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE G'PZ=+!XO/  
    FNAME 'SCT.RLE    ' eNVuw:Q+  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 GdVF;  
        APS    1 7Zd g314  
        GLOBAL UNITS INCH g=@d!]Z~[  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 *L$_80  
        MARGIN    0.050000 72yJv=G  
        BEVEL    0.010000 f86Z #%  
            0    AIR ZILJXX4  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 #9!7-!4pW  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 g<.Is V  
            1    GTB S    'K5    ' pq&[cA_w  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 q#8yU\J|,  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 '@ Rk#=85Z  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR W{tZX^|  
            2    AIR :Q ]"dbY^  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 @p WN5VL  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 ljOY;WV3  
                ZERNIKE    8    0.00022117 fi%i 2Wy  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 vO~  Tx  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 +qC [X~\  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 GJr mK  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 *q k7e[IP  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 "NGfT:HV  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 %<(d %&~  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR }l[e@6r F  
            3    AIR R]&Csr#~  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 ftR& 5 !Wm  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 ,1N|lyV   
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 [X!w@d= i  
            3    REFLEC    TOR HdB>CVuh  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR xUsL{24  
            4    CC    -1.54408563 S_Wq`I@b  
            4    AIR p^<(.+P4  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 '6&o:t  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 6WG g_x?3  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 P@vUQ  
            4    REFLEC    TOR BO G.[?yx  
            4    TH    29.18770982 rlY0UA,  
            4    YMT    0.00000000 /YHO"4Z  
                BTH    0.01000000 ~U"m"zpLP  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR TaBya0-  
            5    AIR 'kcR:5B  
        END
p8%qU>~+4  
Q'Osw"  
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）。
6{1=3.CL  
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
$KGMAg/H  
    SYNOPSYS AI>SPEC VYkh@j  
\+O.vRc"M  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
<;PKec  
=zK4jiM1  
透镜规格：
\j62"  
SYSTEM SPECIFICATIONS wb?k  
Hf]:m hH  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 ?1JY6v]h4  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 NOXP}M  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 ZxwrlaA  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 /#M1J:SV  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 D~ Y6%9  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 :QGo -,6-  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 C:t>u..  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 ^py=]7[I  
eb\SpdM6  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 /)Cfm1$ic  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 <Q9l'u]3$c  
COLOR ORDER    2    1    3 rtJER?A  
UNITS    INCH M x#L|w`r  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 (is',4^b  
FOCAL MODE    ON -|#{V.G3'  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 1~L;S  
GLOBAL OPTION    ON P|$n   
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 U`qC.s(L  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C =?6c&Z  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. & mOn]  
SURFACE    DATA JVX)>2&$  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER JfN '11,$  
0    INFINITE        INFINITE    AIR D:U6r^c  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT B\RAX#  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR :C} I6v=  
=6Ok4Z  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- "@eGgQ  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR F%|P#CaB  
IMG    INFINITE *zrGrk:l  
8>e YM  
KEY TO SYMBOLS 7s?#y=M  
< bC'.m  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE r{R<J?Y  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES &S{r;N5u  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP hi!A9T3%}M  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA Lxp}o7>K  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP MrHJ)x"hy  
:6nD"5(  
SPECIAL SURFACE DATA iN Oj @3x  
Q`9c/vPU  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL MRt"#CO  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 K`K v.4  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL aKriO  
3    -0.000228    2*R**2-1 )hrsA&1w  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 @@o J@;  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 r&4Xf# QD6  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 prj(  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 L8h3kT  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 Nz2 VaZ  
z;1dMQ,#  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 !y b06Z\f  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 -4Hb]#*2  
?4R%z([X7  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
w UxFE=ia  
A,_O=hA2I  
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
0!3. .5==  
    ADEF 2 PLOT
n\((#<&  
=6dAF"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。 w&L~+ Z<  
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。 jlj ge=#c2  
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：
N4+Cg t(  
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。 gvR]"h  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
.gg0rTf=-  
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：
[ *Dj:A)V^  
继电器望远镜 \lQ3j8 U  
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
/*y5W-'d^  
    FETCH 4
$.Tn\4z&  
e|{R2z"^  
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。 VBL4cU8D  
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。
&K0b3AWc  
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。 Qz[^J  
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。
{jO+N+Ez9  
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。 jvB[bS`<H  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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