反射式望远镜.docx
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反射式望远镜.docx
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反射式望远镜
反射式望远镜
设计一个1000mm焦距F/5的牛顿望远镜物镜
1000/D=5,所以物镜孔径D=200mm。
球面反射镜焦距近似是半径的一半,所以设计球面物镜的半径应该是2000mm
1.使用Lensdataeditor定义球面物镜。
注意球面物镜的半径和厚度的符号。
对凹面物镜,圆心在镜面左边,所以Radius是-2000,由于像面在物镜左边,所以thickness是-1000。
详细表格如下图:
2.定义孔径D:
选择zemax主菜单,系统,通用配置,aperture,在入瞳直径栏键入200,如下图:
3.查看光路图:
从zemax主界面,分析,草图,2D草图可以看到下图的光路图:
4.如果想更加形象化的看光路,也可从主菜单选择:
分析,草图,渲染模型。
可以使用键盘上下左右键来调整三维合适的观测角度,如下图:
我们来看性能分析曲线:
5.先看点列图。
从主菜单选择分析,点列图,标准选项,可以看到下图:
从图中我们可以看到像差均方根(RMS)值为77.604。
弥散斑直径约400微米。
球差较大。
这里我们只观测了550nm的波长。
我们选择多波长,看是否有色差。
6.选择zemax主界面,系统,光波长菜单,可以看到下图:
7.如果我们要选择可见光的RGB三原色波长,我们可以按上图红圈所示的选择键,出现下图:
这样我们观测波长就选择三个。
正好是三原色波长。
再点击确定,如上图圈所示键。
8.重复步骤5,可以看到下图:
和步骤5图相比较,可以发现数值一样。
证明反射镜没有引入色差。
9.看MTF曲线。
在主界面里选择分析,调制传递函数(MTF),快速傅里叶变换(FFTMTF)。
可以看到下图,
10.如果我们想和没有像差,只存在衍射时的MTF曲线做比较,可点击上图红圈按键,设置,如下图,
在上图所示红圈选项打钩。
再点下面的确定,就会看到在9步骤MTF曲线里出现一条黑线,如下图所示:
黑色曲线就是没有像差影响,只存在凹面镜孔径引起的衍射作用时的MTF曲线。
11.将球面改为抛物面。
直接从透镜编辑里,在凹面镜conic的值置为-1。
12.重复步骤3和4,可以看到如下光路图
13.重复步骤5,可以看到如下点列图:
可以看到RMS值为0,没有球差、色差。
14.重复步骤9和10,可以看到如下MTF曲线,
可以看到实际MTF曲线和没有像差只存在衍射时的MTF曲线完全重合。
达到最佳值。
15.观察轴外成像情况,在主界面选择,系统,视场,跳出如下图所示对话框,
键入0.75和1.5度两个轴外视场。
再重复步骤5和9/10,可以看到下面的图,
从点列图中可以看到,虽然抛物线凹面镜没有球差、色差,但是还是有轴外高阶像差的,如
彗差、像散等。
可以看到虽然轴上MTF曲线非常完美,但是轴外信息传递能力快速恶化。
16.为了方便观察,必须加转镜,以便人观察时能不把物方光挡住。
注意因为进来的光束为200mm宽,因此成像平面至少在离光轴100mm的上方,如此”看”像的时候才不会挡住入射光。
我们决定用200mm,而foldmirror离先前的反射镜面为800mm,因为200+800=1000等于原先在STO上的thickness,即成像”距离”不变。
操作如下,先把STO的thickness改为-800。
再在STO面后新插入一个平面,作为我们的反射镜,如下图所示,
注意在Zemax里,如果出现多个反射镜时,一般出现奇数个反射面,当前面thichkness值为负,如果出现偶数个反射面时,当前面thickness为正。
17.现在我们将编号为“2”的表面设置为让光线转折90度的转镜。
回到主界面,选择工具,折叠反射镜,添加折叠反射镜选项,弹出下图所示对话框,并编辑数据,
我们想将“2”号表面定为转镜,所以我们就将上图圈内选项选为“2”即可。
点确定。
18.看光路图,注意,一旦系统里有了转镜,就无法用2D草图显示。
应从zemax主界面,分析,草图,3D草图
或按照步骤4,看渲染图,如下
注意到,镜头数据编辑变成下图,
图中红色行只是用来坐标变换,为虚拟平面,不会在光路图里显示出来。
19.目前的系统还有一个重要问题,由于转镜与光轴呈45度夹角,因此入射光如果直接照射到转镜背面,可能会与镜筒多次反射干扰最终成像,引起大的照射。
既然入射的光会被转镜挡住,无法参与成像。
那么不如干脆在望远镜入口处设置障碍物把这部分光挡住。
我们在STO面前插入一个平面,该面到凹面镜的距离为900mm。
则镜头数据编辑表变为下图:
20.下面我们再学习将该表面设置为障碍物,双击上图红圈内容,在弹出的对话框里点击Aperture选项,如下图所示,
如上图,将光圈类型下拉菜单选为“圆形挡光”,设置参数时选择MaxRadius,即最大挡光半径为“63”。
之所以这里值置为63,是因为步骤19中表格绿圈所示,转光镜最大半径为62.71。
圆形挡光板应完全覆盖转光镜。
最后点击确定,设置完毕。
21.现在来看光路渲染效果图,如下图所示,
22.看现在的点列图和MTF曲线,如下
可以看到,轴上无变化,轴外性能略有恶化。
这是因为加入的挡光板本身引入新的衍射效应,它的影响被累计在最后结果里面了。
MTF曲线如下,
如图所示,MTF曲线相比先前也有恶化。
但是我们注意到轴上曲线仍和衍射极限曲线重合。
这也证明了由于新引入的挡光板的衍射作用,而引起性能的变化。
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