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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

\%+5p"Z<  
hIv8A_>@`  
本课程为小型望远镜的设计课程。 E/_I$<,_y  
牛顿望远镜 mh=YrDU+L  
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：

9k[>(LC  
    RLE sHQ82uX  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR 0O:')R&  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300  +*aZ9g  
        APS    1 zs~v6y@  
        GLOBAL YB1uudW9  
        UNITS INCH \tx4bV#  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 kKP<K+hH  
        MARGIN    0.050000 lboi\GP|  
        BEVEL    0.010000 @?r[ $Ea1M  
            0 AIR 3.?kxac  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH pZg}7F{$  
            1 CC    -1.00000000 aEW sru  
            1 AIR w`$M}oX(  
            1    EFILE EX1    5.050680 #[C=LGi  
            1    EFILE EX2    4.900000 A\v(!yg  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 ')mR87  
            1    REFLECTOR ^E^Cj;od@  
            2    EAO    1.34300000 H<`<5M8  
            2    CV    0.0000000000000 at-+%e  
            2    AIR zZax![Z  
            2    DECEN    0.00000000 O.% $oV  
            2    AT    45.00000004 }[gk9uM_7  
            2    EFILE EX1    1.950000 $|V@3`0  
            2    EFILE EX2    1.950000 86AZ)UP2D  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 shAoib?Kw:  
            2    REFLECTOR TppuEC>  
            3    CV    0.0000000000000 ,s9gGCA  
            3    AIR yxx'g+D*  
            3    DECEN    0.00000000 TC+L\7   
            3    AT    45.00000004 c?0.>^,B Q  
            3    TH    10.00000001 9_  
            3    YMT    0.00000000 ' M'k$G@Z  
            4    CV    0.0000000000000 ^L@2%}6b`  
            4    AIR |r%NMw #y  
        END
v{[:7]b_=  
%HAforH  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
zG. \xmp  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
^I CSs]}1  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
j @HOU~x  
KW1b #g%Z  
OBB的用法如下：
._i|+[  
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， _P{f+HxU  
•    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。） W:gpcR]>  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 3~o#1*->  
•    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。 #@3& 1 }J/  
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。 D,l&^diz  
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。 9z$fDs}.q  
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。 Y*Ra!]62  
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。 ~Bi>T15e  
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。
r&/M')}?Lw  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
lPaTkZw  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 kR,ry:J-  
以下是如何获得数据列表的：
 nLD1j  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode 9-3, DxZ}  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR =G,wR'M  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS LN0pC }F  
@?vC4+'  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 e"D%eFkDW  
    COLOR NUMBER    2 5w+KIHhN|  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR ?XIB\7}  
        YEN        OPD (WAVES) pv[Gg^  
Kt#_Ln_6  
        -1.000    -2.355059 bpx ^  
        -0.800    -1.271960 VchI0KL?  
        -0.600    -0.583027 JuKG#F#,  
        -0.400    -0.200234 Mm)yabP  
        -0.200    -0.035356 Oo0SDWI`(  
        0.200    -0.005883 cTJi8f=g  
        0.400    0.035526 }NJKkj?  
        0.600    0.212506 2Wn*J[5  
        0.800    0.613233 T@%\?=P  
        1.000    1.325667
o"!C8s_6  
hl]q6ZK!6  
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。 MO>9A,&f  
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。
('k9XcTPP  
这是消除三阶慧差的一个例子。 !sG# 3sUe[  
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。 ]?6Pt:N2  
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：
H[_i=X3-~  
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。 [} zzG@g,J  
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
HSk_'g(\0  
   1 CAI 1.4
gHo sPY[  
lz7?Z  
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：
)GYnQoV4  
    SYNOPSYS AI>CAP smUSR4VK  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA z?^oy.  
    (Y-coordinate only) `FGYc  
hm*cGYV/  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? 6Hp+?mmh  
:pfLa2f+  
        1     5.0007                Soft    CAO            * -tZ~&1"  
        1     1.4000                *User    CAI            * @V&c=8) 8  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * 8c\\-{  
        3     1.2378                Soft    CAO ~].?8C.>*  
        4     0.7006                Soft    CAO Fq$r>tmV  
J%u,qF}h  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. ?g9:xgkF ^  
        RAO and RAI input is full aperture. vSu dT  
    SYNOPSYS AI>
2 EWXr+IU.  
)qRH?Hsb7  
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”。
U`aB&[=$  
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
`Gj(>z*  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 Z)}UCi+/".  
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。
;1HzY\d%<  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 B<Q)z5KK  
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。） *`q?`#1&&.  
施密特 - 卡塞格林望远镜
uGv|!UQw  
    RLE P)l_ :;&  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE s&hr$`V4  
    FNAME 'SCT.RLE    ' g/FZ?Wo  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 `a%MD>R_Lg  
        APS    1 =EYWiK77a  
        GLOBAL UNITS INCH pM^ZC  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 RfOJUz  
        MARGIN    0.050000 6w=`0r3hy  
        BEVEL    0.010000 $g^D1zkuDT  
            0    AIR RA!q)/ +  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 Mf2F LrAh  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 $J^fpXO  
            1    GTB S    'K5    ' 9Ta0Li  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 F"bz<{  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 u0GHcpOm  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR O%3Hp.|!  
            2    AIR |r*)U(c`  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 QgI[#d{  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 /Kd7# @  
                ZERNIKE    8    0.00022117 \{}dn,?Fv  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 0,nz*UDk  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 RC/45:hZZ  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 x_ /}R3d  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 {zWR)o .=  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 9vz\R-un  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 J\Hv42  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR i!zFW-*5  
            3    AIR |{&M#qXe  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 {fnx=BaG  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 jQ,Vs=*H  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 ,sIC=V +  
            3    REFLEC    TOR <sw@P":F  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR ~ ;LzTL  
            4    CC    -1.54408563 +U1 Ir5Lx  
            4    AIR BY.k.]/  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 d\ 8v VZ  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 &iInru3  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 #R{>@]x`  
            4    REFLEC    TOR [lg!*  
            4    TH    29.18770982 ni&|;"Nt-  
            4    YMT    0.00000000 0|RofL&o  
                BTH    0.01000000 p"#\E0GM  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR R!%nzL@e&`  
            5    AIR fO$){(]^  
        END
:{#O   
QXZyiJX}  
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）。
UWF \Vx*)b  
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
: oXSh;\  
    SYNOPSYS AI>SPEC t|$ jgM  
8 ECX[fw  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
QJ3#~GYNr  
7IkPi?&{  
透镜规格：
E?G'F3i  
SYSTEM SPECIFICATIONS %W"u4 NT7  
\c -m\|  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 u0h%4f!X  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 ]:Gy]qkO  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 Cjx4vP  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 Ln4]uqMG.  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 W!wof- 1  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 Xj 1Oxm 42  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 st;iGg  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 hhze5_$_  
"_q~S$i^  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 ^o{{kju  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 +Yc^w5 !(  
COLOR ORDER    2    1    3 B;r_[^  
UNITS    INCH l S)^8  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 &t^*0/~  
FOCAL MODE    ON Lw}-oE !U  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 b^VRpv  
GLOBAL OPTION    ON orFwy!  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 dS ojq6M  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C LUbj^iQ9  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. #4JMb#q0E  
SURFACE    DATA . vb##D  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER 5rows]EJJl  
0    INFINITE        INFINITE    AIR u%~'+=  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT YGJ!!(~r  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR |%C2 cx  
gsbr8zwG,  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- xoKK{&J  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR d}\]!x3t  
IMG    INFINITE MY,~leP&  
6G2~'zqPc~  
KEY TO SYMBOLS .; F<X \_  
V: D;?$Jl  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE w7Yu} JY^  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES 8ttJ\m  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP %J M$]  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA k|/VNV( =0  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP ij$NTY=u  
;k!.ey $S  
SPECIAL SURFACE DATA #<xFO^TB  
&<N8d(  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL V vrsf6l]  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 |dgiW"tUm  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL 98Vv K?  
3    -0.000228    2*R**2-1 p< 7rF_?W0  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 <[k3x8H'  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 I _KHQ&Z*  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 N;3!oo4  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 [c3!xHt5O  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 46=E- Tq  
9<u&27.  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 y|| n9  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 CtCReH03  
$VmV>NZ  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
VZi1b0k1.  
;0dH@b  
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
k*C69  
    ADEF 2 PLOT
5nx*D"  
PEI$1,z  
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。 zDdo RK@  
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。 NCKR<!(  
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：
tx5bmF;b)  
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。 hl:Ba2_E +  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
X%YZQc9  
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：
MLV]+H[mt  
继电器望远镜 B&_:20^y~  
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
nGVr\u9z  
    FETCH 4
!f/K:CK|  
uU)t_W&-J  
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。 t\/H.Hb  
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。
k M /:n  
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。 NOTG|\{  
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。
WfO EI1  
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。 X?haHM#]  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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