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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

Q\zaa9P  
pq]z%\$u  
本课程为小型望远镜的设计课程。 2u-J+  
牛顿望远镜 tJ_Y6oFm=  
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：

KC&XOI %  
    RLE Z^Um\f   
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR P(yLRc  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 _'mC*7+  
        APS    1 v .*fJ   
        GLOBAL LK4NNZf7  
        UNITS INCH (`slC~"  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 vCej( ))  
        MARGIN    0.050000 J|hVD  
        BEVEL    0.010000 s]e `q4ip  
            0 AIR tq,^!RSbZ  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH NRG06M  
            1 CC    -1.00000000 Kg~D~ +j  
            1 AIR mW{uChHP  
            1    EFILE EX1    5.050680 Y,L[0%  
            1    EFILE EX2    4.900000 iVnMn1h  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 u(yN81  
            1    REFLECTOR 3]'ab-,Vp  
            2    EAO    1.34300000 b&@]f2 /  
            2    CV    0.0000000000000 _t"[p_llo  
            2    AIR P<Z` 8a[  
            2    DECEN    0.00000000 (Z @dz  
            2    AT    45.00000004 (X^,.qy  
            2    EFILE EX1    1.950000 QKEtV  
            2    EFILE EX2    1.950000 x>mI$K(6M  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 gnzg(Y]5w  
            2    REFLECTOR IhK SwT  
            3    CV    0.0000000000000 '\d ldg#P  
            3    AIR a_/4^+  
            3    DECEN    0.00000000 E@otV6Wk[@  
            3    AT    45.00000004 SIm1fC  
            3    TH    10.00000001 &/Gn!J;1  
            3    YMT    0.00000000 pam9wfP  
            4    CV    0.0000000000000 jP/Vqe%%8  
            4    AIR AH/^v;-  
        END
2o9B >f&g  
m;4ti9  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
u4T$  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
Jlb{1B$7  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
s* u1n+Zq  
&+(D< U  
OBB的用法如下：
 k4<28  
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， dZIbajs'  
•    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。） e(0 cz6  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 $Bncdf  
•    ymp1 是入射的边缘光线高度，这里是5英寸，使入射光束直径为10英寸。 NwOV2E6@OW  
yp1是表面1上的主光线高度，为零是因为它是光阑，其余参数是在X-Z平面，因为系提是轴对称的，我们可以忽略它。 如果您想了解更多，只需打开Object Wizard1 (MOW)，即可查看所有内容并能得到解释。 y@$E5sz  
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。 0+1!-Wo  
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。 `peR,E  
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。 GPGP teC  
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。
:4 z\Q]  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
,J+L_S+B~  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 "8uNa  
以下是如何获得数据列表的：
_kRc"MaB  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode N2 3:+u<)E  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR Kv!:2br  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS U!Zj%H1XQ0  
3f^jy(  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 r)-{~JA!  
    COLOR NUMBER    2 ct|0zl~  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR V&ETt.91Ft  
        YEN        OPD (WAVES) ?mC'ZYQI  
+J{ErsG?6P  
        -1.000    -2.355059 Y)lr+~84f  
        -0.800    -1.271960 NBasf n  
        -0.600    -0.583027 f{L;,  
        -0.400    -0.200234 'ParMT  
        -0.200    -0.035356 EpRn,[  
        0.200    -0.005883 mE{QTZS  
        0.400    0.035526 'l!\2Wv2  
        0.600    0.212506 \WnTpl>B  
        0.800    0.613233 S]%,g%6i  
        1.000    1.325667
r{d@74  
R#ZJLT  
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。 ]D5Maid+  
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。
3)CIqN  
这是消除三阶慧差的一个例子。 RAhDSDf  
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。 2.Ww(`swL  
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：
05HCr"k  
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。 n2-+.9cY  
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
YWd2bRb  
   1 CAI 1.4
EI?8/c  
"]p&7  
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：
v,Z]Vqk  
    SYNOPSYS AI>CAP OMmfTlM%  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA z]%@r 7  
    (Y-coordinate only) O^./) #!#  
z<!A;.iD  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? BcpbS%S  
xWa[qCr  
        1     5.0007                Soft    CAO            * >{~xO 6H  
        1     1.4000                *User    CAI            * zb[kRo&a0W  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * C_ d|2C6  
        3     1.2378                Soft    CAO H'k~;  
        4     0.7006                Soft    CAO {W{;VJKQ2  
E]&N'+T  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. OOIp)=4  
        RAO and RAI input is full aperture. A_ &IK;-go  
    SYNOPSYS AI>
.j,xh )v"  
y_W?7 S  
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”。
h7K,q  S  
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
"38<14V  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 3l`"(5  
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。
* Uy>F[%@  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 OPq|4xu  
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。） Si~wig2  
施密特 - 卡塞格林望远镜
^9hc`.5N&?  
    RLE 't8!.k  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE ' ZTRl+  
    FNAME 'SCT.RLE    ' p}!)4EI=  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 n2AoEbd  
        APS    1 ./7-[d  
        GLOBAL UNITS INCH rDwd!Jet  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 zCA8}](C^  
        MARGIN    0.050000 qgEzK  
        BEVEL    0.010000 uw8g%  
            0    AIR 8R\6hYJ%F  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 .^F&6'h1H  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 $X.F=Kv  
            1    GTB S    'K5    ' b9i_\  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 W2$rC5|  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 #>_fYjT  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR N@k' s   
            2    AIR d72 yu3  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 RDQ]_wsyKG  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 Dn#5H{D-d  
                ZERNIKE    8    0.00022117 x7l}u`N4  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 q2*)e/}H  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 SV ~QH&0'  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 Bw`?zd\*  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 &"tQpw5  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 \?e2qu/ C  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 c"`HKfL  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR qa~ju\jm.  
            3    AIR zN+jn  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 >yVrIko  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 E)I&? <g  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 [.$%ti*!  
            3    REFLEC    TOR e>!]_B1ad  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR $[cB6  
            4    CC    -1.54408563 Fgwe`[  
            4    AIR .|L9}<  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 VOATza`  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000  %O(W;O  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 !m_y@~pV#u  
            4    REFLEC    TOR mpDxJk!   
            4    TH    29.18770982 |4aU&OX  
            4    YMT    0.00000000 pG* W>F  
                BTH    0.01000000 '{JMWNY  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR Td^62D;  
            5    AIR l_ x jsu  
        END
8BS Nm  
:N<o<qn  
注意如何在PAD中的光扇图上识别渐晕光线。 在这里也将遵循Switch 21（如果您更愿意看到默认显示，可以将其关闭）。
 UiK)m:NU  
在SPEC列表中，您会看到表面2和4是非球面的，在半径列后面用“O”表示
2"Unk\Y  
    SYNOPSYS AI>SPEC 9*n?V;E  
[["eK9 }0  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
8193d%Wb  
i}<fg*6@E  
透镜规格：
Pa|*Jcr  
SYSTEM SPECIFICATIONS 0!:%Ge_  
rO1N@kd/  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 Dg ~k"Ice  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 -=1>t3~\  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 XL1x8IB  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 G}WY0FC6  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 @2$Uk!  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 )T(1oK(g  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 *a(GG  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 E`wq`g`H<  
dt<P6pK-  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 $9Xn.,W  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 1F2(MKOo!  
COLOR ORDER    2    1    3 BH$hd|KD<  
UNITS    INCH U?:?NC=1{  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 !Xq5r8]  
FOCAL MODE    ON _t X1z ^  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 mI^S% HT  
GLOBAL OPTION    ON ^v3J ld  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 hx~rq `{  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C ;Q5o38(  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. RtaMrG=D  
SURFACE    DATA \/m-G:|  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER g</Mk^CE  
0    INFINITE        INFINITE    AIR NeewV=[%  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT 7$L*nf  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR e:QH3|'y  
sa"!ckh  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- [F27i#'I]  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR >(Wt  
IMG    INFINITE 0SZ:C(]  
CSFE[F63  
KEY TO SYMBOLS \ tU[,3  
)b|xzj@  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE 2.a{,d  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES #Y'ub 5s  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP a7z% )i;Z  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA JWxSN9.X  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP kL -f@CD  
'L%)B-,n  
SPECIAL SURFACE DATA KM oDcAjH  
D<^K7tJui  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL ,YrPwdaTB  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 bg*@N  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL R8j\CiV17  
3    -0.000228    2*R**2-1 gYw=Z_z  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 1=jwJv.^/  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 "(;t`,F  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 P`n"E8"ab<  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 1L _(n  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 _E^ !, Wz  
qD}O_<_1ym  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 S <++eu  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 RWGAxq`9f  
A^7}:[s20  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
vPu {xy  
:1!k*5  
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
HwBJUr91]  
    ADEF 2 PLOT
}Szs9-Wns  
JZ"XrS0?  
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。 1KI5tf>>p  
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。 3hR3)(+1  
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：
%wmbFj}  
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。 )KN]"<jB  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
J~5+=V7OV  
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：
aw1 f;&K4  
继电器望远镜 r 4+%9)  
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
xcXnd"YYE  
    FETCH 4
k= .pcDX  
N6/;p]|  
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。 Y:5Gp8Vi  
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。
V_H0z  
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。 @9h6D<?  
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。
^A t,x  
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。 J<ZG&m362p  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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