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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

Y]`o-dV  
(!efaj  
本课程为小型望远镜的设计课程。 VV 54$a  
牛顿望远镜 a3A3mBw  
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：

xzFQ)t&  
    RLE zK_P3r LsS  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR '-XO;{,-R  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 5yj#9H  
        APS    1 c/j+aj0.v  
        GLOBAL .kkhW8:  
        UNITS INCH  !I&,!$  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 <dVJV?i;  
        MARGIN    0.050000 [#G*GAa6*  
        BEVEL    0.010000 pp{p4Z   
            0 AIR R>5Xv%R  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH ly_8p63-  
            1 CC    -1.00000000 _7qa~7?f  
            1 AIR >lyE@S sA  
            1    EFILE EX1    5.050680 MZWv#;.]  
            1    EFILE EX2    4.900000 *(5T?p[7  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 <5#2^(  
            1    REFLECTOR \P"Ol\@  
            2    EAO    1.34300000 f+1'Ah0'E  
            2    CV    0.0000000000000 Hr7pcz/#l  
            2    AIR , )TnIByM  
            2    DECEN    0.00000000 9HPwl  
            2    AT    45.00000004 9x8Vsd  
            2    EFILE EX1    1.950000 ~J5B?@2hK  
            2    EFILE EX2    1.950000 je3Qq1  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 Ro `Xs.X  
            2    REFLECTOR O(e!Vx{t!  
            3    CV    0.0000000000000 @[f$MRp\  
            3    AIR C?W}/r[  
            3    DECEN    0.00000000 gNDMJ^`  
            3    AT    45.00000004 E`C !q X>  
            3    TH    10.00000001 z[O*f#t  
            3    YMT    0.00000000 JBZ1DZAWC  
            4    CV    0.0000000000000 ~v:IgS  
            4    AIR \[)SK`cwd  
        END
Y%|dM/a`  
bC) <K/Q9  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
%""h:1/S  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
Dbq/t^  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
OQKc_z'"  
Zu>-y#Bw  
OBB的用法如下：
&RI;!qn6(  
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， JY;u<xl  
•    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^puz2  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 ">20`Mj8  
•    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"U|Za+   
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。 R?tjobk!  
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。 yx*<c#Uf  
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。 0L,!o[L*  
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。 `CBXz!v!O  
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。
9 HlWoHuC  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
@0C[o9  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 :(" @U,  
以下是如何获得数据列表的：
xdz 6[8 d8  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode f5{|_]q]  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR $<&_9T#&w  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS )^"V}z t  
3p?nQ O)L  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 q"DHMZB  
    COLOR NUMBER    2 $d4&H/u^  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR F+ RE  
        YEN        OPD (WAVES) Br42Qo2"T>  
X%N!gy  
        -1.000    -2.355059 ~ F-lO1  
        -0.800    -1.271960 CF\wR;6k  
        -0.600    -0.583027 ![fNlG!r  
        -0.400    -0.200234 ~ISY( &  
        -0.200    -0.035356 7sWe32  
        0.200    -0.005883 v<<ATs%w  
        0.400    0.035526 FU J<gqL  
        0.600    0.212506 8t) g fSG  
        0.800    0.613233 :2/ jI:L~  
        1.000    1.325667
4i }nk T  
\7#w@3*  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 x2r.4  
我们可以使用图像工具（MIT）对话框。 输入MIT，然后进行如下所示的选择。
?$uF(>LD  
这是消除三阶慧差的一个例子。  4~ L1~Gk  
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。 wPu.hVz  
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：
1;i|GXY:h  
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。 9}Z;(,6/.\  
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
A=Hv}lv  
   1 CAI 1.4
4`fV_H.8  
@ uN+]e+3  
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：
UIg?3J}R  
    SYNOPSYS AI>CAP eOkiB!G.  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA c#1kg@q@  
    (Y-coordinate only) 11Qi _T\  
Gm9  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? 7#oq|5  
b!Nr  
        1     5.0007                Soft    CAO            * 7/k7V)  
        1     1.4000                *User    CAI            * kumo%TXB&  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * TX@ed  
        3     1.2378                Soft    CAO 8faT@J'e;  
        4     0.7006                Soft    CAO Bgzq  
[Ob'E!;<  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. Ea'jAIFPpO  
        RAO and RAI input is full aperture. GO@<?>K  
    SYNOPSYS AI>
72J=_d>+  
:D;pDl  
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”。
JKO*bbj  
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
f&$;iE  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。 &(l.jgqg&  
进行图像分析操作。 使用菜单树或命令MOP转到MOP对话框（Mtf OPtions）。 选择MTF的Multicolor选项，然后单击MTF按钮。
< 3*q) VT  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 Qp)?wny4  
讨论表面上的椭圆孔径2。在WS中，选择表面2，然后单击按钮 以打开“编辑孔径”对话框。 选择用户输入的椭圆孔径选项; 单击该按钮可显示另一个对话框，您可以根据需要更改数字。 对角镜通常采用椭圆形边缘，您可以在此处输入数据。 （或者，只要您识别出WS编辑窗格中的数字，就可以编辑它们。） 0R `>F">  
施密特 - 卡塞格林望远镜
5L~lF8  
    RLE 8t, &dq  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE m_Z(osoE#W  
    FNAME 'SCT.RLE    ' &V SZ  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 K`uPPyv  
        APS    1 U:eX^LE7  
        GLOBAL UNITS INCH 9(}d7y  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 8g-Z~~0W1  
        MARGIN    0.050000 ,`!lZ| U  
        BEVEL    0.010000 < 1m `  
            0    AIR -MsL>F.]  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 tq@)J_7|  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 }NG P!  
            1    GTB S    'K5    ' ?u".*!%  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 J(maJuY  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 w`+-xT%  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR 2J$vX(  
            2    AIR +Zr~mwM=x  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 &+ PVY>q  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 :pz@'J  
                ZERNIKE    8    0.00022117 #Cy3x-!  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 p[At0Gc L  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 +/kOUz/]  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07  cC|  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 5 $$Cav  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 61&{I>~1  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 Uam %u  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR i^Jw`eAmT  
            3    AIR +j+ v(-  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 M6qNh`+HO  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 Mw-L?j0o[k  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 ^-n^IR}J  
            3    REFLEC    TOR q _K@KB  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR x5pu+-h  
            4    CC    -1.54408563 3vAP&i'I  
            4    AIR qp#Euq6  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 hJSWh5]  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 77aUuP7Iw  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 &(Hw:W 9  
            4    REFLEC    TOR |wQ3+WN|  
            4    TH    29.18770982 ~]?EV?T  
            4    YMT    0.00000000 @"/H er  
                BTH    0.01000000 ZF#n(Y?  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR !Icznou\  
            5    AIR _K'Y`w']  
        END
upZc~k!1\  
D8 PC;@m  
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）。
v3t<rv  
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
n&|N=zh  
    SYNOPSYS AI>SPEC 4!xRA''  
fZsw+PSy  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
n <> ^cD  
Fn4yx~0  
透镜规格：
WJa7  
SYSTEM SPECIFICATIONS B~qo^ppVU  
8f)pf$v`   
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 7^M$u\a)U  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 f O+lD  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 7 <]YK`a2d  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 uW/>c$*)  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 Ars*H,9>e  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 z-g6d(  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 0o6o<ggi  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 8@S]P0lk  
rLmc(-q  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 S>*i\OnI'  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 F9% +7Op^  
COLOR ORDER    2    1    3 ohJDu{V  
UNITS    INCH y x#ub-A8  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 $MNJsc^n  
FOCAL MODE    ON #^9k&t#!6  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 Xc" %-  
GLOBAL OPTION    ON :5T=y @  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 FU .%td=:  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C 'X6Y!VDd  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. }opMf6`w  
SURFACE    DATA ?P>4H0@I+  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER 2P@6Qe ?  
0    INFINITE        INFINITE    AIR RIO?rt;  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT @o'L!5Y  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR %VR{<{3f  
?YV#  K  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- Vmh$c*TE  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR 1x\k:2U  
IMG    INFINITE DS7L}]  
D2gyn-]\  
KEY TO SYMBOLS R-OO1~W=  
,`YBTU  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE Jq?zr]"A  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES ; 8eGf'  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP r#& JfAo  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA 1n7'\esC*  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP 5ZH3}B^L$  
@)[8m8paV  
SPECIAL SURFACE DATA P{_%p<:V  
~%M*@ fm  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL (aSuxl.Dq  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 W ;+()vC  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL uWFyI"  
3    -0.000228    2*R**2-1 1-PlRQs.1  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 e<a*@ P,  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 Ty~z%=H  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 'wMvO{}$  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 Zby3.=.e  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 T{`VUS/  
IEP|j;~*  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 x{K"z4xbI  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 'r\RN\PT  
|s(Ih_Zn  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
UF }[%Sa  
l Ib d9F  
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
/N<aN9Z<x,  
    ADEF 2 PLOT
r7R.dD /.  
)s, t BU+N  
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。 )S`[ gK  
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。 &nI>`Q'  
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：
yqL"YD  
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。 PUZcb+%]h  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
%eIaH!x:  
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：
$@] xi  
继电器望远镜 yZgWFf.X  
这个例子是几年前作者在地下室建造的中继望远镜。 1977年在Sky＆Telescope中描述了早期版本，但是这个版本有一个额外的中继透镜并且校正地更好。 它的文件名为4.RLE，您可以使用命令打开它
M<NY`7$^  
    FETCH 4
(y&sUc9  
N|>JLZ>  
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。 }mIN)o  
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。
M eep  
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。 $ xHtI]T  
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。
{ gs$pBu  
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。 tK/,U =+  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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