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解决方案
本课程为小型望远镜的设计课程。
牛顿望远镜
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：
RLE
ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR
WAVL .6562700 .5875600 .4861300
APS 1
GLOBAL
UNITS INCH
OBB 0.000000 0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
MARGIN 0.050000
BEVEL 0.010000
0 AIR
1 RAD -160.0000000000000 TH -70.00000000 AIR
1 CC -1.00000000
1 AIR
1 EFILE EX1 5.050680 5.050680 5.060680 0.000000
1 EFILE EX2 4.900000 4.900000 0.000000
1 EFILE MIRROR 2.000000
1 REFLECTOR
2 EAO 1.34300000 1.90000000 0.00000000 -0.10000000
2 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR
2 AIR
2 DECEN 0.00000000 0.00000000 0.00000000 100
2 AT 45.00000004 0.00000000 100
2 EFILE EX1 1.950000 1.950000 1.960000 0.000000
2 EFILE EX2 1.950000 1.950000 0.000000
2 EFILE MIRROR -0.300000
2 REFLECTOR
3 CV 0.0000000000000 TH 10.00000001 AIR
3 AIR
3 DECEN 0.00000000 0.00000000 0.00000000 100
3 AT 45.00000004 0.00000000 100
3 TH 10.00000001
3 YMT 0.00000000
4 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR
4 AIR
END
如下的PAD图，将显示整个光学系统结构：
通过OBB命令，可以将视场设置为0.5度：
OBB 0.000000 0.50000 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
OBB的用法如下：
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，
• 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。）
• upp0 是入射的主光线角度，这里是0.5度。
• 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。
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。
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。
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。
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。
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。
1 Object Wizard™是美国缅因州公司Optical Systems Design，Inc。的商标。
是的，在外视场大概有两个波长的慧差。
以下是如何获得数据列表的：
SYNOPSYS AI>OPD ! The next command will be in OPD mode
SYNOPSYS AI>TFA 5 P 1 ! tangential fan, five rays, primary color, full field
ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR
TANGENTIAL RAY FAN ANALYSIS
FRACT. OBJECT HEIGHT HBAR 1.000000 GBAR 0.000000
COLOR NUMBER 2
REL ENT PUPIL WAVEFRONT ABERR
YEN OPD (WAVES)
-1.000 -2.355059
-0.800 -1.271960
-0.600 -0.583027
-0.400 -0.200234
-0.200 -0.035356
0.200 -0.005883
0.400 0.035526
0.600 0.212506
0.800 0.613233
1.000 1.325667
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。
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。
这是消除三阶慧差的一个例子。
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。
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：
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。
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
1 CAI 1.4
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：
SYNOPSYS AI>CAP
ID F/8 PARABOLA WITH DIAGONAL MIRROR
CLEAR APERTURE DATA
(Y-coordinate only)
SURF X OR R-APER. Y-APER. REMARK X-OFFSET Y-OFFSET EFILE?
1 5.0007 Soft CAO *
1 1.4000 *User CAI *
2 1.3430 1.9000 *User EAO 0.0000 -0.1000 *
3 1.2378 Soft CAO
4 0.7006 Soft CAO
NOTE: CAO, CAI, EAO, and EAI input is semi-aperture.
RAO and RAI input is full aperture.
SYNOPSYS AI>
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”。
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
，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
数字“1”表示每个渐晕光线的位置。
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。
这个遮挡确实使中频处的MTF下降。
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。）
施密特 - 卡塞格林望远镜
RLE
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE
FNAME 'SCT.RLE '
WAVL .6562700 .5875600 .4861300
APS 1
GLOBAL
UNITS INCH
OBB 0.000000 0.40800 5.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5.00000
MARGIN 0.050000
BEVEL 0.010000
0 AIR
1 CV 0.0000000000000 TH 0.25000000
1 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442
1 GTB S 'K5 '
1 EFILE EX1 5.050000 5.050000 5.060000 0.000000
1 EFILE EX2 5.050000 5.050000 0.000000
2 CV 0.0000000000000 TH 20.17115161 AIR
2 AIR
2 ZERNIKE 5.00000000 0.00000000 0.00000000
ZERNIKE 3 -0.00022795
ZERNIKE 8 0.00022117
ZERNIKE 15 -2.00317788E-07
ZERNIKE 24 -3.81789104E-08
ZERNIKE 35 -3.47468956E-07
ZERNIKE 36 3.76974435E-07
2 EFILE EX1 5.050000 5.050000 5.060000
3 CAI 1.68000000 0.00000000 0.00000000
3 RAD -56.8531404724216 TH -19.92114987 AIR
3 AIR
3 EFILE EX1 5.204230 5.204230 5.214230 0.000000
3 EFILE EX2 5.204230 5.204230 0.000000
3 EFILE MIRROR 1.250000
3 REFLEC TOR
4 RAD -23.7669696838233 TH 29.18770982 AIR
4 CC -1.54408563
4 AIR
4 EFILE EX1 1.555450 1.555450 1.555450 0.000000
4 EFILE EX2 1.545450 1.545450 0.000000
4 EFILE MIRROR -0.243545
4 REFLEC TOR
4 TH 29.18770982
4 YMT 0.00000000
BTH 0.01000000
5 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR
5 AIR
END
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）。
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
SYNOPSYS AI>SPEC
ID CC SCHMIDT CASS ZERNIKE
LENS SPECIFICATIONS:
透镜规格：
SYSTEM SPECIFICATIONS
OBJECT DISTANCE (TH0) INFINITE FOCAL LENGTH (FOCL) 98.1614
OBJECT HEIGHT (YPP0) INFINITE PARAXIAL FOCAL POINT 29.1777
MARG RAY HEIGHT (YMP1) 5.0000 IMAGE DISTANCE (BACK) 29.1877
MARG RAY ANGLE (UMP0) 0.0000 CELL LENGTH (TOTL) 0.5000
CHIEF RAY HEIGHT (YPP1) 0.0000 F/NUMBER (FNUM) 9.8161
CHIEF RAY ANGLE (UPP0) 0.4080 GAUSSIAN IMAGE HT(GIHT) 0.6992
ENTR PUPIL SEMI-APERTURE 5.0000 EXIT PUPIL SEMI-APERTURE 2.0218
ENTR PUPIL LOCATION 0.0000 EXIT PUPIL LOCATION -10.5157
WAVL (uM) .6562700 .5875600 .4861300
WEIGHTS 1.000000 1.000000 1.000000
COLOR ORDER 2 1 3
UNITS INCH
APERTURE STOP SURFACE (APS) 1 SEMI-APERTURE 5.00000
FOCAL MODE ON
MAGNIFICATION -9.81862E-11
GLOBAL OPTION ON
BTH OPTION ON, VALUE = 0.01000
GLASS INDEX FROM SCHOTT OR OHARA ADJUSTED FOR SYSTEM TEMPERATURE
SYSTEM TEMPERATURE = 20.00 DEGREES C
POLARIZATION AND COATINGS ARE IGNORED.
SURFACE DATA
SURF RADIUS THICKNESS MEDIUM INDEX V-NUMBER
0 INFINITE INFINITE AIR
1 INFINITE 0.25000 K5 1.52248 59.49 SCHOTT
2 INFINITE O 20.17115 AIR
3 -56.85314 -19.92115 AIR <-
4 -23.76697 O 29.18771S AIR
IMG INFINITE
KEY TO SYMBOLS
A SURFACE HAS TILTS AND DECENTERS B TAG ON SURFACE
G SURFACE IS IN GLOBAL COORDINATES L SURFACE IS IN LOCAL COORDINATES
O SPECIAL SURFACE TYPE P ITEM IS SUBJECT TO PICKUP
S ITEM IS SUBJECT TO SOLVE M SURFACE HAS MELT INDEX DATA
T ITEM IS TARGET OF A PICKUP
SPECIAL SURFACE DATA
SURFACE NO. 2 -- ZERNIKE POLYNOMIAL
APER. SIZE OVER WHICH ZERNIKE COEFF. ARE ORTHOGONAL (AP) 5.000000
TERM COEFFICIENT ZERNIKE POLYNOMIAL
3 -0.000228 2*R**2-1
8 0.000221 6*R**4-6*R**2+1
15 -2.003178E-07 20*R**6-30*R**4+12*R**2-1
24 -3.817891E-08 70*R**8-140*R**6+90*R**4-20*R**2+1
35 -3.474690E-07 252*R10-630*R8+560*R6-210*R4+30*R2-1
36 3.769744E-07 924*R12-2772*R10+3150*R8-1680*R6+420*R4-42*R2+1
SURFACE NO. 4 -- CONIC SURFACE
CONIC CONSTANT (CC) -1.544086
SEMI-MAJOR AXIS (b) 43.682407 SEMI-MINOR AXIS (a) -32.221087
THIS LENS HAS NO TILTS OR DECENTERS
SYNOPSYS AI>
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
ADEF 2 PLOT
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。
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。
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：
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。
实际上，视场的边缘图像非常模糊。
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：
继电器望远镜
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
FETCH 4
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。
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。
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。
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。
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。
在本课中，我们仅介绍了SYNOPSYS™中的部分功能。
ASAP/APEX技术交流群 373021576
SYNOPSYS光学设计与优化交流群 965722997
RP激光软件交流群 302099202
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