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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

z~# .Ey  
7%b?[}y4  
本课程为小型望远镜的设计课程。 Sbc  
牛顿望远镜 Q~MV0<{  
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：

d *!)wt  
    RLE WA \ P`'lg  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR 5RrzRAxq  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 \L($;8` \  
        APS    1 :D\M.A  
        GLOBAL V\5ZRLawP  
        UNITS INCH PJ5~,4H-4  
        OBB    0.000000    0.50000    5.00000 'avzESe~'  
        MARGIN    0.050000 w@ALl#z;}  
        BEVEL    0.010000 p2cwW/^V  
            0 AIR :D|"hJ  
            1 RAD    -160.0000000000000    TH V^sZXdDNL  
            1 CC    -1.00000000 P-[6'mw`  
            1 AIR G~b/!clN  
            1    EFILE EX1    5.050680 4! ]28[2B6  
            1    EFILE EX2    4.900000 TmZ sC5  
            1    EFILE MIRROR    2.000000 o/I'Qi$v-  
            1    REFLECTOR Kx==vq%39  
            2    EAO    1.34300000 SM;UNIRVE  
            2    CV    0.0000000000000 0eP7efy  
            2    AIR =BW;n]ls  
            2    DECEN    0.00000000 6b`3AAGU"  
            2    AT    45.00000004 P_6JweN  
            2    EFILE EX1    1.950000 Y_'3pX,  
            2    EFILE EX2    1.950000 &m<:&h& b  
            2    EFILE MIRROR    -0.300000 m3[R   
            2    REFLECTOR +||y/}1  
            3    CV    0.0000000000000 P`^3-X/  
            3    AIR c"F3[mrff  
            3    DECEN    0.00000000 XLQt>y)  
            3    AT    45.00000004 2E7vuFH4c  
            3    TH    10.00000001 -|_#6-9  
            3    YMT    0.00000000 xb8S)zO]Q  
            4    CV    0.0000000000000 1j4tR#L  
            4    AIR qrdA4S  
        END
DD$YMM  
%)'# d  
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
`hpX97v  
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
<yNu/B.M  
    OBB 0.000000    0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
' 5tk0A  
^UJB%l  
OBB的用法如下：
dbVMG-z8  
要在TrayPrompt中显示此信息，只需在编辑器中选择命令“OBB”。 然后程序会为您查找相关格式。 在这个输入中， ) oypl+y  
•    ump0 是入射的边缘光线角度，对于无穷远处的物体为零。 （OBB格式主要用于那种情况。） +q<G%PwbV  
•    upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。 RV@'$`Q  
•    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。 ,/%@:Fh4  
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。 cJ^{iOQ+  
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。 8_*31Y   
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。 E!Ljq3iT`  
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。 l4O&*,}l##  
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。
"/ 9EUbca  
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
3fBV SFVS  
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。 qz_'v{uAj  
以下是如何获得数据列表的：
nXRT%[o&  
    SYNOPSYS AI>OPD    ! The next command will be in OPD mode ),!1B%  
    SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1    ! tangential fan, five rays, primary color, full field ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR s^\ *jZ6  
    TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS E&z`BPd  
@yImR+^.7  
    FRACT. OBJECT HEIGHT    HBAR    1.000000    GBAR    0.000000 NoAgZ{))  
    COLOR NUMBER    2 y]U]b G{  
    REL ENT PUPIL    WAVEFRONT ABERR ojva~mnFf  
        YEN        OPD (WAVES) NNgpDL*  
&2P=74\=  
        -1.000    -2.355059 R]LuZN  
        -0.800    -1.271960 C0`Bi:Ze  
        -0.600    -0.583027 D\H;_k8  
        -0.400    -0.200234 Q\moR^>  
        -0.200    -0.035356 DWwPid} "  
        0.200    -0.005883 F $6JzF$|F  
        0.400    0.035526 :5W8S6[o  
        0.600    0.212506 /$=<"Y7&g  
        0.800    0.613233 `qs[a}%'>"  
        1.000    1.325667
,'Sj:l  
fw3P?_4;*  
转到对话框MRR（Menu, Real Rays）或导航菜单树，然后在那里进行选择。但是输入命令更快。 G4;5$YGG  
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。
*}h#'+  
这是消除三阶慧差的一个例子。 x>!bvZ2  
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。 o|cx?  
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：
oniVC',  
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。 P P-U.  
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
U_KCN09  
   1 CAI 1.4
S HxD(6  
Kt5k_9  
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：
/$'|`jKsB  
    SYNOPSYS AI>CAP %y|L'C,ge"  
    ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR CLEAR APERTURE DATA MUW&m2  
    (Y-coordinate only) IY"+hHt  
E=# O|[=  
    SURF    X OR R-APER. Y-APER.    REMARK     X-OFFSET    Y-OFFSET    EFILE? k-!Jww  
e.VQ!)>  
        1     5.0007                Soft    CAO            * 'ju'O#A9  
        1     1.4000                *User    CAI            * <Toy8-kj  
        2     1.3430      1.9000      *User    EAO     0.0000     -0.1000    * /e;E+   
        3     1.2378                Soft    CAO A4{p(MS5  
        4     0.7006                Soft    CAO oJ.5! Kg  
Zg&o][T  
    NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture. !nDiAjj  
        RAO and RAI input is full aperture. ],-(YPiAD  
    SYNOPSYS AI>
,(3oAj\  
gp<XTLJ@>  
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”。
('z:XW96  
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 k<NlH zp  
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。  rrP_7D  
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}2;*:p4Y  
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。 'Px}#f0IR  
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。） [NoOA  
施密特 - 卡塞格林望远镜
$1y8X K7r  
    RLE 1]a\uq}  
    ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE {BY(zsl  
    FNAME 'SCT.RLE    ' *. 1S  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 zJ30ZY:  
        APS    1 8?N![D\@  
        GLOBAL UNITS INCH K=1prv2  
        OBB    0.000000    0.40800    5.00000    0.00000    0.00000    0.00000    5.00000 ]E $bK  
        MARGIN    0.050000 Vg~10Q  
        BEVEL    0.010000 k=4C"   
            0    AIR vA2>&YDFX  
            1 CV    0.0000000000000    TH    0.25000000 '#a;n  
            1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 E[Q2ZqhgbP  
            1    GTB S    'K5    ' 'Q"Mu  
            1    EFILE EX1    5.050000    5.050000    5.060000    0.000000 !u;gGgQF  
            1    EFILE EX2    5.050000    5.050000    0.000000 f#McTC3C  
            2    CV    0.0000000000000    TH    20.17115161 AIR SLz;5%CPV  
            2    AIR lnGg1/  
            2    ZERNIKE    5.00000000    0.00000000    0.00000000 \M;cF "e-S  
                ZERNIKE    3    -0.00022795 NiYT%K%  
                ZERNIKE    8    0.00022117 Ept=&mJPu  
                ZERNIKE    15 -2.00317788E-07 L d{`k  
                ZERNIKE    24 -3.81789104E-08 {:#c1d2@8  
                ZERNIKE    35 -3.47468956E-07 `! xI!Y\  
                ZERNIKE    36    3.76974435E-07 vVZ+u4y  
            2    EFILE    EX1    5.050000    5.050000    5.060000 w"O{@2B3:H  
            3    CAI    1.68000000    0.00000000    0.00000000 m@']%X*(,  
            3    RAD    -56.8531404724216    TH    -19.92114987 AIR <'48mip  
            3    AIR < lUpvr  
            3    EFILE    EX1    5.204230    5.204230    5.214230    0.000000 7m%[$X`  
            3    EFILE    EX2    5.204230    5.204230    0.000000 2UIZ<#|D>s  
            3    EFILE    MIRROR    1.250000 {Iz"]Wh<f  
            3    REFLEC    TOR Tb!FO"o  
            4    RAD    -23.7669696838233    TH    29.18770982 AIR Jp c %i8  
            4    CC    -1.54408563 !DUOi4I  
            4    AIR 4aKppj  
            4    EFILE    EX1    1.555450    1.555450    1.555450    0.000000 VUOe7c=  
            4    EFILE    EX2    1.545450    1.545450    0.000000 `dWnu3r;  
            4    EFILE    MIRROR    -0.243545 2Da0*xn{  
            4    REFLEC    TOR BY9Z}/{j  
            4    TH    29.18770982 ?M^qSo=/~  
            4    YMT    0.00000000 HA0F'k  
                BTH    0.01000000 f\r"7j  
            5    CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR Dbb=d8utE  
            5    AIR M& )yr^  
        END
B)/c]"@89  
S<jiy<|`  
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）。
%&0/ Ypp=  
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
 FLZ9Rg  
    SYNOPSYS AI>SPEC )L7[;(gQ  
| O9b  
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE LENS SPECIFICATIONS:
2 6 >9$S  
(N/-blto  
透镜规格：
XfflD9M  
SYSTEM SPECIFICATIONS ).0p\.W~  
{NcJL< ;tS  
OBJECT DISTANCE    (TH0)    INFINITE    FOCAL LENGTH    (FOCL)    98.1614 w `+.F;}s  
OBJECT HEIGHT    (YPP0)    INFINITE    PARAXIAL FOCAL    POINT    29.1777 /sn }Q-Zy2  
MARG RAY HEIGHT    (YMP1)    5.0000    IMAGE DISTANCE    (BACK)    29.1877 bSn={O"M  
MARG RAY ANGLE    (UMP0)    0.0000    CELL LENGTH    (TOTL)    0.5000 HR?bnkv|id  
CHIEF RAY HEIGHT    (YPP1)    0.0000    F/NUMBER    (FNUM)    9.8161 ;JgSA&'e  
CHIEF RAY ANGLE    (UPP0)    0.4080    GAUSSIAN IMAGE    HT(GIHT)    0.6992 2Nx:Y+[  
ENTR    PUPIL SEMI-APERTURE    5.0000    EXIT PUPIL SEMI-APERTURE    2.0218 &/:c?F?l  
ENTR    PUPIL LOCATION    0.0000    EXIT PUPIL LOCATION    -10.5157 k<Xb< U  
D=Nt 0y  
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300 T XT<6(  
WEIGHTS    1.000000 1.000000 1.000000 _/"e'@z  
COLOR ORDER    2    1    3 r_FI5f  
UNITS    INCH *3OlWnZ?  
APERTURE STOP SURFACE (APS)    1    SEMI-APERTURE    5.00000 ueg%D +u  
FOCAL MODE    ON wAgV evE  
MAGNIFICATION    -9.81862E-11 vO53?vN[m9  
GLOBAL OPTION    ON O_GHvLO=  
BTH OPTION ON, VALUE =    0.01000 m5a'Vs  
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE SYSTEM TEMPERATURE =    20.00 DEGREES C L]Xx-S  
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED. t-n'I/^5  
SURFACE    DATA smn(q)tt  
SURF    RADIUS        THICKNESS    MEDIUM    INDEX    V-NUMBER ]&B/rSC  
0    INFINITE        INFINITE    AIR 9i lJ  
1    INFINITE        0.25000    K5    1.52248    59.49 SCHOTT @HnahD  
2    INFINITE    O    20.17115    AIR 1HqN`])l/j  
tUW^dGo.  
3    -56.85314    -19.92115    AIR    <- .W$9nbly  
4    -23.76697 O    29.18771S    AIR p&0 G  
IMG    INFINITE xRO9o3  
3RI6+Cgmn  
KEY TO SYMBOLS EZVgTySd  
)7-mALyW  
A    SURFACE    HAS TILTS AND DECENTERS    B    TAG ON SURFACE p%X.$0  
G    SURFACE    IS IN GLOBAL COORDINATES    L    SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES BZKg:;9  
O    SPECIAL    SURFACE TYPE    P    ITEM IS SUBJECT TO PICKUP nB[B FVkU  
S    ITEM IS    SUBJECT TO SOLVE    M    SURFACE HAS MELT INDEX DATA +afkpvj8  
T    ITEM IS    TARGET OF A PICKUP "4T36b  
(KfQ'B+  
SPECIAL SURFACE DATA >HzTaXCR[  
$GQEdVSNo  
SURFACE NO.    2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL _5p]Arg?}&  
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP)    5.000000 (9'q/qgTO  
TERM    COEFFICIENT    ZERNIKE POLYNOMIAL cg_tJ^vrY  
3    -0.000228    2*R**2-1 .<YfnW5/K  
8    0.000221    6*R**4-6*R**2+1 6Bd:R}yZP7  
15    -2.003178E-07    20*R**6-30*R**4+12*R**2-1 VP?Q$?a  
24    -3.817891E-08    70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1 *IF ~ab2  
35    -3.474690E-07    252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1 e(OKE7  
36    3.769744E-07    924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1 =+<DNW@%  
Fa </  
SURFACE NO.    4 -- CONIC SURFACE CONIC CONSTANT (CC)    -1.544086 hu}uc&N)iE  
SEMI-MAJOR AXIS (b)    43.682407    SEMI-MINOR AXIS (a)    -32.221087 @00&J~D  
41rS0QAM  
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS SYNOPSYS AI>
bHTTxZ-%  
3.=o}!  
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
>Il{{{\>  
    ADEF 2 PLOT
@)z?i  
/R( .7N  
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。 w2`JFxQ^x  
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。 _?bF;R  
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：
l~@ -oE  
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。 X&@>M}  
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
n2["Ln mO  
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：
<BBSC  
继电器望远镜 %T;VS-f  
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
y>r^ MQ  
    FETCH 4
k4^!"~<+0  
]*{tno  
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。 7L]Y.7>  
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。
5fp&!HnG  
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。 wc}4:~  
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。
1=~##/at  
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。 "M %WV>  
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
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