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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

m5, &;~  
TS=U%)Ik  
本课程为小型望远镜的设计课程。 ni<\ AF]`  
牛顿望远镜 5Ux=5a  
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：

ogJ';i/o  
    RLE Wy /5Qw~s  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR rdAy '38g  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ~b4kV)[ q  
        APS    1 ^a1k"|E?f  
        GLOBAL ]a[2QQ+g  
        UNITS INCH UoSc<h|  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 I\IDt~  
        MARGIN    0.050000 'rVB2 `z-  
        BEVEL    0.010000 <KI>:@|Sc  
            0 AIR n{M-t@r7  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH z>'vS+axV  
            1 CC    -1.00000000 kX)*:~*  
            1 AIR {j4&'=C:  
            1    EFILE EX1    5.050680 ^E~1%Md.  
            1    EFILE EX2    4.900000 7c6- o"A  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 ,v?FR }v  
            1    REFLECTOR ;*=7>"o'`  
            2    EAO    1.34300000 _p^Wc.[~M  
            2    CV    0.0000000000000 dh%DALZ8t  
            2    AIR TpdYU*z_Br  
            2    DECEN    0.00000000 Kb'4W-&u!  
            2    AT    45.00000004 NiRb:F-  
            2    EFILE EX1    1.950000 *uKYrs [  
            2    EFILE EX2    1.950000 a^Q ?K\c4N  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 [e{D  
            2    REFLECTOR t oM+Bd:Y  
            3    CV    0.0000000000000 :u)Qs#'29  
            3    AIR V0%a/Hi v  
            3    DECEN    0.00000000 :lK8i{o  
            3    AT    45.00000004 lAo4)  
            3    TH    10.00000001 Y)#,6\=U  
            3    YMT    0.00000000 !JVv`YN  
            4    CV    0.0000000000000 }VHvC"   
            4    AIR #5iwDAw:|r  
        END
`\/\C[Gg  
. +,{|){c  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
p1T0FBV L  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
2+*o^`%4P  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
vN~joQ=d  
O[p c$Pi  
OBB的用法如下：
64^l/D(  
要在TrayPrompt中显示此信息，只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中， IIF <Zkpb  
•    ump0 是入射的边缘光线角度，对于无穷远处的物体为零。 （OBB格式主要用于那种情况。） ,C:^K`k&  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 KTeR;6oZn"  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度，这里是5英寸，使入射光束直径为10英寸。 IOJLJ p  
yp1是表面1上的主光线高度，为零是因为它是光阑，其余参数是在X-Z平面，因为系提是轴对称的，我们可以忽略它。 如果您想了解更多，只需打开Object Wizard1 (MOW)，即可查看所有内容并能得到解释。 <q&i"[^M  
宏编辑器中的代码易于阅读。 声明了平面1和2是反射面，主镜上的圆锥常数是-1.0，使其成为抛物面。 EFILE数据用于定义透镜的几何边缘形状，而且定义反射镜的厚度。 当然，这对光线追迹没有任何影响，但是在制作反射镜的加工图纸时，合适的边缘才会适于加工。 我们将在第23课中更详细地讨论该主题。 kv2 H3O  
上面的文件是令LEO（LEns Out）或LE（Lens Edit）的数据，并且包含完整的系统描述。 _SH~.Mt_!  
当然，图像在轴上是完美的，但是慧差很大，这是这个简单系统的一个很大的缺陷。 &!FI!T -WH  
慧差有多严重？ 在PAD中，选择视图2，（在PAD工具栏中单击该编号 ），然后单击PAD Bottom按钮 。 在打开的对话框中，选择OPD Fan Plots选项，然后单击OK。
]LMtZUz  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
qca=a }  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 4H{$zMq8  
以下是如何获得数据列表的：
8N3rYx;d~  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode (UTA3Db  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR Qo*OC 9E`  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS l%qh^0  
EoS6t  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 +6n\5+5  
    COLOR NUMBER    2 n]>L"D,  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR ( efxw  
        YEN        OPD (WAVES) k,ezB+  
m\_v{1g  
        -1.000    -2.355059 p<y \ ^a  
        -0.800    -1.271960 Qtt3;5m  
        -0.600    -0.583027 n;QFy5HB8  
        -0.400    -0.200234 .&h|r>*|J  
        -0.200    -0.035356 L[U?{  
        0.200    -0.005883 B3I0H6O  
        0.400    0.035526 O(:/ &`)  
        0.600    0.212506 oxJAI4{y 4  
        0.800    0.613233 y(Em+YTD  
        1.000    1.325667
G'wyH[ d/  
3-)R'  
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。 dl6Ju  
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。
PtGFLM9R  
这是消除三阶慧差的一个例子。 _T;Kn'Gz(&  
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。 DU-dIq i  
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：
']Z%6_WF  
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。 7Jpq7;  
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%A?B 8,  
   1 CAI 1.4
162Dj$  
cs[nFfM  
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：
`H9 !Z$7G  
    SYNOPSYS AI>CAP 3ik~PgGoKQ  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA R_vK^Da  
    (Y-coordinate only) ~b%dBn]n>  
z+^9)wg9  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? F| P?|  
Fu[GQ6{f  
        1     5.0007                Soft    CAO            * 6p.y/LMO  
        1     1.4000                *User    CAI            * ^KV:.up6  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * L^2wEF  
        3     1.2378                Soft    CAO S$a.8Xh  
        4     0.7006                Soft    CAO JZE<oQ_Jm  
shiw;.vR{B  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. cs4IO O$  
        RAO and RAI input is full aperture. 6B}V{2  
    SYNOPSYS AI>
?ea5k*#a  
y`cL3 xr4R  
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”。
n} ]gAX  
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
mt[ #=Yba  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 IiY%y:!g  
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。
gyU=v{].  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 l vBcEg  
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。） yvnvIy  
施密特 - 卡塞格林望远镜
g3Ul'QJ  
    RLE >xXq:4l>}  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE Qz$Wp*  
    FNAME 'SCT.RLE    ' :j`XU  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 wp@6RJ  
        APS    1 EH'eyC-B<  
        GLOBAL UNITS INCH l>("L9  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 Wxi;Tq9C@_  
        MARGIN    0.050000 ] ^J  
        BEVEL    0.010000 (.b!kfC  
            0    AIR  J@J`)  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 #(Yd'qKo  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 GbvbGEG  
            1    GTB S    'K5    ' @2>ce2+  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 V2g"5nYT  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 %2beoH'  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR yz)Nco]  
            2    AIR &0{&4,  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 @k/|%%uP  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 y4H/CH$%  
                ZERNIKE    8    0.00022117 -tp3qi  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 \#gguq?[  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 aLwEz}-   
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 'yh)6mid  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 M-8d*#_P  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 {<cgeH  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 P7 5@Yu(  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR %-|$7?~   
            3    AIR _9S"rH[  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 C k/DV  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 "M,Hm!j  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 n+ s=u$%qn  
            3    REFLEC    TOR 4UN|`'c  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR &C#?&AQ  
            4    CC    -1.54408563 tnq Zl S  
            4    AIR D8b9 T.[(  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 Ze?H  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 xg;F};}5$  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 %V(U]sbV  
            4    REFLEC    TOR G420o}q  
            4    TH    29.18770982 HLqDI lL  
            4    YMT    0.00000000 p1IN%*IV+o  
                BTH    0.01000000 |WgFLF~k  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR $`L |  
            5    AIR Seq ^o=  
        END
)1<GSr9  
'"6*C*XS  
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）。
1=^|  
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
O1oh,~W  
    SYNOPSYS AI>SPEC CH6;jo]  
0Q]{r )  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
.la_u8A]  
02^Nf7DMR  
透镜规格：
hS^8/]E={  
SYSTEM SPECIFICATIONS  3X9  
EIOP+9zP  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 k?_uv  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 *(sv5c!0M8  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 ? ~oc4J*>(  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 1.nYT*  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 j% '~l#nw  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 JRDIGS_~  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 $;)A:*e  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 Zy>y7O(,  
~hT(uxU/  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 uao#=]?)  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 WKq{g+a  
COLOR ORDER    2    1    3 v\5`n@}4  
UNITS    INCH Kw`}hSE>o  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 mqiCn]8G  
FOCAL MODE    ON WT1d'@LY  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 (,RL\1zJ  
GLOBAL OPTION    ON hh-sm8  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 RuOse9  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C QL-E4]   
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. $8Gj9mw4e'  
SURFACE    DATA = @lM*  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER > v4+@o[~  
0    INFINITE        INFINITE    AIR 5zF$Q{3  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT 6<YAoo  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR ~{t<g;F  
3.Jk-:u %m  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- k%;oc$0G-3  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR iVb7>d9}  
IMG    INFINITE -e_pw,5c '  
1CS\1[E  
KEY TO SYMBOLS t*Z4&Sy^  
2xv[cpVi  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE #eKH'fE  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES |[$ TT$Fb  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP R^yh,  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA H4W!@"e  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP $]J<^{v  
i`!>zl+D  
SPECIAL SURFACE DATA N <M6~  
QH kjxj  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL ;/!o0:m^I  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 Dt'bbX'edw  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL D*g K,`  
3    -0.000228    2*R**2-1 u/J1Z>0  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 H2yPVJ\Y)"  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 U(hIT9  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 zw0u|q;#  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 xN!In-v[j;  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 *EFuK8 ;  
j 5bHzcv  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 }eSrJgF4M  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 ~pwk[Q!  
 )eH?3""  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
,2mq}u>WU  
E=ObfN"ge  
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
m~gcc  
    ADEF 2 PLOT
<Kk?BRxi  
NZ% 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。 +)_#j/  
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。 l=<},_]{  
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：
Tzfk_h3hE  
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。 E*L5D4Kw  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
i4)]lWnd  
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：
*,,:;F^  
继电器望远镜 N,&bBp  
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
'T]Ok\  
    FETCH 4
-`1)yhS  
'wo}1^V  
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。 Nh^q&[?  
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。
A $l  
该设计的有趣之处在于使用Mangin反射镜，该反射镜从表面2到表面4，再到表面3都是反射面，表面4与表面2重合。利用该元件，可以很好地校正球差和二次色差。 打开文件时，在CW中输入LEO以检查输入文件。 yp< )v(8|'  
透镜形状分析，主镜的形状在背面被磨成锥形，用EFILE输入数据，用于描述元件的边缘。 在PAD中，单击按钮， ， 打开“边缘向导”（或输入MEW，菜单，边缘向导），如果未在WS中选择，则选择表面1。
Ba76~-gK$  
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。 1+xi1w}3a  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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