基于zemax的反射式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(共21頁(yè))

1、By bwzong 基于(jy)zemax的反射(fnsh)式系統(tǒng)(xtng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc407313480 基于zemax的反射式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc407313480 h 1 HYPERLINK l _Toc407313481 1. 球面和非球面 PAGEREF _Toc407313481 h 2 HYPERLINK l _Toc407313482 2. 典型的反射系統(tǒng) PAGEREF _Toc407313482 h 3 HYPERLINK l _Toc407313483 2.1 牛頓望遠(yuǎn)鏡（拋物面鏡） P

2、AGEREF _Toc407313483 h 4 HYPERLINK l _Toc407313484 2.2 經(jīng)典卡塞格林系統(tǒng) PAGEREF _Toc407313484 h 5 HYPERLINK l _Toc407313485 2.3 里奇-克列基昂（R-C系統(tǒng)） PAGEREF _Toc407313485 h 6 HYPERLINK l _Toc407313486 2.4 格里高里系統(tǒng) PAGEREF _Toc407313486 h 9 HYPERLINK l _Toc407313487 2.5 馬克蘇托夫-卡塞格林式 PAGEREF _Toc407313487 h 10 HYPERLI

3、NK l _Toc407313488 2.6 施密特-卡塞格林系統(tǒng) PAGEREF _Toc407313488 h 14 HYPERLINK l _Toc407313489 2.7 施密特彎月形卡塞格林 PAGEREF _Toc407313489 h 16 HYPERLINK l _Toc407313490 2.8 達(dá)爾-奇克漢卡塞格林 PAGEREF _Toc407313490 h 16 HYPERLINK l _Toc407313491 2.9 霍頓-卡塞格林（H-C系統(tǒng)） PAGEREF _Toc407313491 h 17 HYPERLINK l _Toc407313492 2.10

4、阿古諾夫-卡塞格林 PAGEREF _Toc407313492 h 18 HYPERLINK l _Toc407313493 2.11 普雷斯曼-卡米歇爾卡塞格林 PAGEREF _Toc407313493 h 19 HYPERLINK l _Toc407313494 2.12 離軸或斜反射反射鏡卡塞格林 PAGEREF _Toc407313494 h 20 HYPERLINK l _Toc407313495 2.13 三反-卡塞格林（Three-mirror Cassegrain） PAGEREF _Toc407313495 h 20 HYPERLINK l _Toc407313496 3.

5、 反射式的特點(diǎn) PAGEREF _Toc407313496 h 21 HYPERLINK l _Toc407313497 4. 參考與鳴謝 PAGEREF _Toc407313497 h 21 HYPERLINK l _Toc407313498 5. 附錄 PAGEREF _Toc407313498 h 221. 球面(qimin)和非球面球面只用一個(gè)參數(shù)即表面(biomin)半徑（或曲率）來定義。球面折射強(qiáng)烈，球差明顯。若使表面形狀自光軸向外越來越平坦，則可以逐漸減小折射角，最終(zu zhn)使所有光線會(huì)聚到同一焦點(diǎn)。對(duì)比：球面邊緣較陡，非球面平坦，可校正球差（主要應(yīng)用）。非球面不能只用一

6、個(gè)曲率來定義，因其局部曲率在其表面范圍內(nèi)變化，常用解析公式描述，有時(shí)也用表面內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的矢高表示。最普遍形式是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，矢高為：，其中，c為頂點(diǎn)處基本曲率，k為圓錐曲線常數(shù)，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)；為非球面的高次項(xiàng)。圓錐曲線常數(shù)k表面類型0球面K-1雙曲面K=-1拋物面-1k0扁橢球面當(dāng)非球面非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，將其表示成雙錐形表面形式或變形非球面形式。雙錐形表面有沿正交方向的兩個(gè)基本曲率和兩個(gè)圓錐曲線常數(shù)；變形非球面在兩個(gè)正交方向上還附加高次項(xiàng)。非球面的另一個(gè)形式是超環(huán)面（即復(fù)曲面），超環(huán)面具有環(huán)形面包圈的形狀。當(dāng)非球面的高次項(xiàng)為0，非球面采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的圓錐曲面橫截面形式，其性質(zhì)：不論反

7、射面還是折射面，圓錐曲面對(duì)于一組特定的共軛點(diǎn)無球差。如果目標(biāo)位于表面的曲率中心，球面成無像差的幾何完善像。橢球面對(duì)位于表面同側(cè)的一對(duì)實(shí)像共軛點(diǎn)成無像差的像。雙曲面對(duì)位于表面兩側(cè)的一對(duì)共軛點(diǎn)成無像差的像。拋物面反射鏡對(duì)無限遠(yuǎn)的軸上物點(diǎn)成完善的點(diǎn)像。故：拋物面反射鏡（有時(shí)和雙曲面反射鏡結(jié)合）廣泛應(yīng)用于天文光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)物點(diǎn)從無像差的共軛點(diǎn)沿軸移動(dòng)時(shí)，將引入球差。當(dāng)物點(diǎn)沿垂直光軸方向橫向移動(dòng)時(shí)，慧差、像散、場(chǎng)曲等會(huì)使得像模糊。2. 典型(dinxng)的反射(fnsh)系統(tǒng)(xtng)下面以發(fā)展演化的角度簡(jiǎn)單介紹幾種類卡式系統(tǒng)。Newton 拋物面 平面Classical Cassegrain 拋物面

8、 雙曲面Ritchey-Chretien 雙曲面雙曲面Gregory 凹的拋物面 凹的橢球面Maksutov-Cassegrain 彎月透鏡球面 球面主反射Schmit-Cassegrain 施密特校正器 面型任意Schmidt-meniscus Cassegrain 施密特校正器+彎月透鏡 球面 球面Dall-Kirkham 橢圓面 球面Houghton-Cassegrain 雙凸透鏡+雙凹透鏡 球面 球面Mangin-Cassegrain 多個(gè)球面透鏡 球面 球面Pressmann-Camichel 球面 橢圓面Schiefspiegler 斜反射離軸Three-mirror Casseg

9、rain2.1 牛頓望遠(yuǎn)鏡（拋物面鏡）單個(gè)拋物面鏡對(duì)軸向無限遠(yuǎn)目標(biāo)的球差為0，但受到軸外慧差的限制。故：需要借助傾斜的平面折疊反射鏡將光反射到側(cè)面。%起初，由于加工工藝，采用的是球面凹面鏡%牛頓系統(tǒng)極好地消除了色差，但是球差及軸外慧差嚴(yán)重，所以視場(chǎng)很小。為了消除球差,主物鏡可用拋物面凹面鏡代替，但慧差更為明顯。為了避免嚴(yán)重的慧差,牛頓系統(tǒng)的F數(shù)不能大于f/4。參數(shù)：f：1000 mm，f/5，默認(rèn)視場(chǎng)，默認(rèn)波長(zhǎng)。設(shè)置(shzh)擋板：雙擊表面(biomin)1的Surf:TypeAperture(Aperture Type)-Circular Obscuration-最大半徑(bnjng)設(shè)為

10、16.7。2.2 經(jīng)典(jngdin)卡塞格林系統(tǒng)(xtng)主鏡：拋物面鏡(po w min jn)，次鏡：雙曲面。拋物面的焦點(diǎn)和雙曲面的虛焦點(diǎn)重合，經(jīng)雙曲面后成像在其實(shí)焦點(diǎn)處。其利用雙曲面和拋物面反射的特性：凹面的拋物面反射鏡可以將平行于光軸入射的所有光線匯聚在單一的點(diǎn)上焦點(diǎn)；凸面的雙曲面反射鏡有兩個(gè)焦點(diǎn)，會(huì)將所有通過其中一個(gè)焦點(diǎn)的光線反射至另一個(gè)焦點(diǎn)上。點(diǎn)評(píng)：折疊式設(shè)計(jì)使鏡筒的長(zhǎng)度緊縮，結(jié)構(gòu)更為緊湊這種最常用的設(shè)計(jì)，慧差是限制性像差，這點(diǎn)與具有相同f/#的單拋面鏡相同。設(shè)計(jì)使光線稍有發(fā)散，放大率有所下降，適用于大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡參數(shù)：入瞳 200mm ；視場(chǎng)角（角度） 0、0.21、0.

11、3；默認(rèn)波長(zhǎng)LDE編輯如下：表面2面型為 圓形擋光 ：擋光最小半徑為0，最大半徑為31.3999996mmSTO 面型為 圓形光圈 ：光圈最小半徑為35mm，最大半徑為100.099998mm2.3 里奇-克列基昂（R-C系統(tǒng)(xtng)）平行(pngxng)于光軸的光滿足等光程和正弦條件的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。由克列基昂(H.Chretien)提出(t ch)里奇(G.W.Ritch)制成的按他們兩人姓氏的第一個(gè)字母得名為R-C望遠(yuǎn)鏡。它的焦點(diǎn)稱為R-C 。主鏡：雙曲面，實(shí)現(xiàn)像質(zhì)的改善。次鏡：雙曲面。實(shí)際上，是無慧差的卡塞格林系統(tǒng)，只受像散和場(chǎng)曲的限制描述：主次鏡形狀很接近旋轉(zhuǎn)雙曲面在實(shí)用上可把這

12、種系統(tǒng)近似地視為消除三級(jí)球差和彗差的由旋轉(zhuǎn)雙曲面組成的系統(tǒng)。由于消除了彗差可用視場(chǎng)比卡塞格林望遠(yuǎn)鏡更大一些并且像斑呈對(duì)稱的橢圓形。如果采用彎曲底片視場(chǎng)會(huì)更大像斑則呈圓形。 典型的卡塞格林系統(tǒng)主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，這樣只能校正球差，如果將主鏡也改為雙曲面則可以校正兩種像差，球差和慧差，視場(chǎng)也可適當(dāng)增大，但為了進(jìn)一步增大視場(chǎng)則還需校正場(chǎng)曲、象散和畸變，這就還需要在像方加一組至少由兩片透鏡組成的校正透鏡組，可稱之為場(chǎng)鏡。參數(shù)1：入瞳150 mm；默認(rèn)視場(chǎng)；波長(zhǎng)632.8，取自系統(tǒng)文件庫(kù)。面1：圓形擋光 0-26 ；面2：圓形光圈26-80 ；面4，面5，浮動(dòng)光圈。參數(shù)(cnsh)2： F/4，

13、入瞳 200 mm；視場(chǎng)角（角度(jiod)） 0、0.21、0.3 ；默認(rèn)(mrn)波長(zhǎng)面2：圓形擋光 0-30.5470009 ；面3：圓形光圈，25-100.099998。2.4 格里高里(o l)系統(tǒng) 主鏡：凹形拋物面次鏡：凹形橢球面，次鏡在主鏡焦點(diǎn)(jiodin)外，且次鏡焦點(diǎn)(jiodin)與主鏡焦點(diǎn)重合。拋物面的焦點(diǎn)和橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)重合，經(jīng)橢球面后成像在其另一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)處。格里高利系統(tǒng)很好地消除了球面像差,但是仍然存在慧差。凹面好檢測(cè)，但結(jié)構(gòu)不夠緊湊。參數(shù)： F/4，入瞳 200 mm ；視場(chǎng)角（角度）0、0.0707、0.1；默認(rèn)波長(zhǎng)。面2：圓形擋光 0-29.5599995

14、mm ；面3：圓形光圈(gungqun)，25-100.040001 mm2.5 馬克(mk)蘇托夫-卡塞格林式折反式，不同于上述(shngsh)的純反射式。通過透鏡補(bǔ)償(bchng)矯正反射式的像差。常見的折反系統(tǒng)有施密特-卡塞格林系統(tǒng)、馬克蘇托夫-卡塞格林系統(tǒng)。區(qū)別：（1）馬氏把施式的改正透鏡替換為彎月形透鏡（即由兩個(gè)表面曲率半徑相差不大，但有相當(dāng)大的曲率和厚度，呈彎月形的透鏡）。彎月透鏡產(chǎn)生的球差可以補(bǔ)償球面凹面鏡產(chǎn)生的球差，同時(shí)又滿足消色差條件。而且，適當(dāng)調(diào)節(jié)彎月透鏡與球面鏡的間距，也可以矯正慧差。（2）與施式相比，馬式的透鏡磨制更為容易，但對(duì)玻璃的要求比較高。故：限制了口徑.球面主反

15、射鏡+球面弱光焦度彎月玻璃校正版。被設(shè)計(jì)來減少離軸的像差，例如彗差。1944年，蘇聯(lián)光學(xué)家德密特利馬克蘇托夫發(fā)明此鏡，以球面鏡作主鏡并結(jié)合在入射光孔的彎月形的修正殼以改正球面像差。馬克蘇托夫式：（1）最大缺點(diǎn)是不能制作大口徑(250毫米/10 英吋)，因?yàn)槭艿叫拚宓囊种?，重量和制作成本都?huì)上揚(yáng)。（2）馬克蘇托夫物鏡不能校正整個(gè)光束的球差，只能校正邊緣球差，因此存在剩余球差，對(duì)軸外像差來說，只能校正慧差，不能校正象散。馬克蘇托夫暗示有可能取代卡塞格林式的“折疊”光學(xué)的構(gòu)造。約翰葛利格里由馬克蘇托夫的想法發(fā)展出了馬克蘇托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。稍后，葛利格里在1957年的天空和望遠(yuǎn)鏡雜志上發(fā)表了劃時(shí)

16、代的f/15和f/23的馬克蘇托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，為珀金埃爾默明確的預(yù)告了這項(xiàng)設(shè)計(jì)在商業(yè)上的用途。今天，許多馬克蘇托夫式都采用了卡塞格林式的設(shè)計(jì)(或稱斑點(diǎn)馬克蘇托夫)：原本的次鏡被在修正板內(nèi)側(cè)的一小片鋁制的斑點(diǎn)所取代。好處是已經(jīng)固定住無須再對(duì)正與校準(zhǔn)，也消除了蜘蛛型支撐架所產(chǎn)生的衍射條紋。缺點(diǎn)則是損失了一定量的自由度(次鏡的曲率半徑)，因?yàn)榇午R的曲率半徑必須與彎月形修正板的內(nèi)側(cè)一致。葛利格里第二次設(shè)計(jì)的(f/15)，就改采修正板的前面或主鏡為非球面鏡來減少像差。參數(shù)(cnsh)1：Maksutov系統(tǒng)(xtng)，zemax文件(wnjin)庫(kù)像方F數(shù)為10 ； 視場(chǎng)角0，1.5；e光面

17、2，面3浮動(dòng)光圈；面4，圓形擋光0-2.5 mm；面5，圓形光圈2.5-5 mm參數(shù)(cnsh)2：Maksutov offset ；取自zemax文件(wnjin)庫(kù)入瞳200 mm；視場(chǎng)0 0.35 0.5 ；默認(rèn)(mrn)波長(zhǎng)面2，圓形擋光0-45 mm；面3，浮動(dòng)光圈；面4，圓形光圈60-120；面5，浮動(dòng)光圈。2.6 施密特-卡塞格林系統(tǒng)(xtng)折反式，以折疊的光路與修正板結(jié)合(jih)，較緊密。主鏡：球面(qimin)反射鏡，并輔以施密特修正板（改正透鏡）來改正球面像差次鏡：承襲卡塞格林的設(shè)計(jì)，以凸面鏡做次鏡。有些設(shè)計(jì)會(huì)在焦平面附近增加光學(xué)元件，例如平場(chǎng)鏡。圖：施密特-卡塞格林

18、系統(tǒng)施密特修正板：一塊波浪形的改正透鏡，透鏡中間厚，兩邊薄。施-卡系統(tǒng)：（1）視場(chǎng)很大,但是改正透鏡的四次曲面難以磨制,故：口徑不能做得很大。（2）擁有許多的變形，分為兩種：緊密的和非緊密的。a. 在緊密的設(shè)計(jì)中，修正板靠近或就在主鏡的焦點(diǎn)上；非緊密的修正板則靠近或就在主鏡的曲率中心上（焦距的兩倍距離）。b. 非緊密的設(shè)計(jì)比緊密形的能產(chǎn)生較好的平場(chǎng)和變型的修正，但鏡筒在長(zhǎng)度上卻有所增加。參數(shù)：zemax文件庫(kù)2.7 施密特彎月形卡塞格林集合(jh)了施密特和馬克蘇托夫的優(yōu)點(diǎn)，使用(shyng)兩種校正器，施密特用于校正(jiozhng)球差，彎月用于校正慧差。不過這種類型的卡塞格林長(zhǎng)度顯得有些

19、過長(zhǎng)，不適合大口徑的使用。2.8 達(dá)爾-奇克漢卡塞格林1928年由霍勒斯達(dá)爾設(shè)計(jì)(shj)，并于1930年由艾倫奇克漢和艾伯特G.英格爾寫成論文(lnwn)發(fā)表。主鏡：凹的橢圓面鏡。次鏡：凸的球面鏡。此系統(tǒng)(xtng)比卡塞格林或里奇-克萊琴的系統(tǒng)都容易磨制，但是沒有修正離軸的彗差和視場(chǎng)畸變，所以離軸的像品質(zhì)很快的變差。但是對(duì)長(zhǎng)F數(shù)的影響較小，所以焦比在f/15以上的反射鏡仍會(huì)采用。2.9 霍頓-卡塞格林（H-C系統(tǒng)）改正鏡：由一塊雙凸透鏡和一塊雙凹鏡組成，能很好的修正球差，彗差，畸變，可用視場(chǎng)很大，色差也極小，可以忽略不計(jì)。像差主要是離軸像散。所有面都是球面，曲率半徑較大(馬克蘇托夫的改正鏡

20、曲率半徑很小)容易加工，對(duì)材料要求也較低。 安裝方面，改正鏡兩透鏡之間的間隔，以及和主鏡間的距離的容差很大，主要是對(duì)正光軸。2.10 阿古諾夫-卡塞格林1972年，P.P. 阿古諾夫。所有的光學(xué)(gungxu)元件都是球面鏡。將傳統(tǒng)(chuntng)卡式的次鏡換成三個(gè)有空氣隙的透鏡(tujng)元件。距離主鏡最遠(yuǎn)的透鏡是曼京鏡，它的作用如同第二個(gè)鏡子的表面，在對(duì)向天空的一面有反射用的涂層。阿古諾夫的系統(tǒng)只使用球狀的表面，避免了非球面的制造和測(cè)試。然而，獲得的好處似乎很少，因?yàn)檫@套系統(tǒng)實(shí)際上非常難以制做，它需要精確的自由區(qū)域球的曲率半徑以取代等效的非球面鏡。2.11 普雷斯曼-卡米歇爾卡塞格林相

21、比(xin b)上述幾種類型卡塞格林來說，Pressmann-Camichel Type最容易(rngy)制造，但品質(zhì)較差，需加施密特校正器才能使用。2.12 離軸或斜反射(fnsh)反射鏡卡塞格林Schiefspiegler(離軸或斜反射(fnsh)反射鏡是一種非常奇特的卡塞格林反射鏡，他將主反射鏡傾斜以避免第二反射鏡在主鏡上造成陰影。雖然(surn)消除了衍射的圖形，卻又導(dǎo)致了其他不同的像差必須要修正。2.13 三反-卡塞格林（Three-mirror Cassegrain）由三片反射鏡組成，有兩個(gè)間距、三個(gè)半徑和三個(gè)圓錐系數(shù)共八個(gè)變量，除了滿足系統(tǒng)焦距、球差、彗差、像散、場(chǎng)曲等系統(tǒng)性能和

22、像質(zhì)要求外，還有足夠的變量進(jìn)行系統(tǒng)布局和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。三反射鏡系統(tǒng)比兩反射鏡系統(tǒng)的視場(chǎng)大，且易于控制光學(xué)系統(tǒng)的雜散輻射，增加了軸外視場(chǎng)的光通量，使得像面照度更加均勻。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，全反射式光學(xué)系統(tǒng)，尤其是三反射式光學(xué)系統(tǒng)正在逐漸成為空間光學(xué)系統(tǒng)的主要形式。長(zhǎng)光3. 反射式的特點(diǎn)(tdin)反射式：（1）優(yōu)勢(shì)(yush)在于消除(xioch)了球差，焦距可以做得更短，而且口徑可以做得很大，鏡筒也不必做得太長(zhǎng)。（2）缺點(diǎn)主要在于偏離主光軸的慧差嚴(yán)重，導(dǎo)致視場(chǎng)較小,，不利于大型天文望遠(yuǎn)鏡的巡天拍攝。折射式：（1）優(yōu)點(diǎn)主要在于視場(chǎng)比較大，相比于折射和折反式，由于其密封性良好，故：幾乎不需要經(jīng)常保養(yǎng)。（2）也有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。.首先，折射式物鏡采用的是玻璃，而玻璃本身對(duì)不同波長(zhǎng)的色光折射率就不同。在加上玻璃的材質(zhì)、純度以及鑄造工藝等問題，其對(duì)不同波長(zhǎng)的光線的折射率差異會(huì)很大，導(dǎo)致不同的色光無法匯聚到同一點(diǎn)，產(chǎn)生很嚴(yán)重的色差。/為了解決這個(gè)問題，折射式物鏡一般采用一個(gè)凸透鏡和一個(gè)色散本領(lǐng)較強(qiáng)的凹透鏡組成復(fù)合透鏡。凹透鏡可以使匯聚的