基于Zemax的牛顿望远镜的设计

基于Zemax的牛顿望远镜的设计基于Zemax的牛顿望远镜的设计 (1)1、简介 (1)2、优缺点 (3)2.1优点： (3)2.2不足： (3)3、Zemax设计 (4)3.1 设计要求 (4)3.2 设计过程 (4)4、参考与鸣谢 (9)5、附录：望远镜的性能简介 (10)5.1 物镜的光学特性： (10)5.2 物镜的结构样式： (11)5.3 系统的整体性能： (12)1、简介1670年，牛顿制备了第一个反射式望远镜。

他使用凹面镜（球面）将光线反射到一个焦点，如图1，2。

这种方法比当时望远镜的放大倍数高出数倍。

图1，2老牛本准备用非球面（抛物面），研磨工艺所限，迫使其采用球面反射镜做主镜：将直径2.5厘米的金属磨制成一个凹面反射镜，并在主镜的焦点前放了一个与主镜成45°的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜后以90°反射出镜筒后到达目镜。

如图3，4。

球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。

所有的巨型望远镜大多属于反射望远镜，牛顿望远镜为反射望远镜的发展辅平了道路。

从牛顿制作出第一架反射望远镜到今天，300多年过去了，人们在其中加入了其他的设计，产生了许多的变形。

例如，在牛顿式望远镜中加入一组透镜，就产生了施密特-牛顿式，除此之外，还有许多的变形，但他们的基本结构都是牛顿式的。

图3，4在今天，世界上一些最为著名的望远镜都是采用牛顿式的结构。

例如，位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜，其主镜的尺寸为5米；W.M. 凯克天文台的Keck天文望远镜，其主镜由36块六角形的镜面拼接，组合成直径10米的主镜；还有哈勃太空望远镜，也是牛顿式望远镜。

牛顿反射望远镜采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜（平面的对角反射镜），再次改变方向进入目镜焦平面。

目镜为便于观察，被安置靠近望远镜镜筒顶部的侧方。

牛顿反射望远镜用平面镜替换昂贵笨重的透镜收集和聚焦光线，结构较简单。

另外，焦距可长达1000mm而仍然保持相对紧凑，可以便携使用。

不过，由于主镜被暴露在空气和尘土中，需要更多维护与保养。

然而，这个小缺点不阻碍这个类型望远镜的大众化，对于那些想要一台价格经济，但仍然可以解决观测微弱，遥远的目标的用户来说，牛顿反射望远镜是一个理想的选择。

2、优缺点2.1优点：1、同折射和折反望远镜相比，同样口径成本最低。

因为大口径的反射镜比透镜的生产成本低很多。

2、紧凑合理，便携性好，焦距可达1000mm以上。

3、由于F数普遍较短(f/4到f/8)，更容易的获得较大的视野，具有较好的微弱深空天体观测性能，例如遥远的星系、星云和星团(但不是很方便，难度大于折反望远镜)。

4、长焦距的牛顿式望远镜可以获得卓越的行星外观，具有较好的月球和行星的观测性能。

5、由于采用反射镜作为主镜，无色差。

6、由于光线无须穿透物镜（它只从镜子的表面反射），所以不需要特别的玻璃材料，只需要能掌握住正确的反射面形状，且只需要处理一个表面（折射镜通常需要处理四个表面），因此非常适合非专业人士自制DIY。

7、目镜的位置在望远镜筒前端，与短F数结合可以使用短而紧凑的架台系统，减少费用和增加便利性。

2.2不足：1、一般不适合地面应用。

2、容易产生彗差，造成影样偏离轴心扩散的变形现象。

这种扩散在光轴上为零，随着镜子的视域呈线性的增加，也与焦距除以口径的商（焦比）的平方反比来扩散。

通常在焦比大于f/6的系统，彗差已经可以忽略掉，不会影响目视或摄影的结果。

焦比小于f/4的系统，虽然不能忽视彗差，但可以借由广视野和低倍率成像来避免。

透镜也可以用在修正牛顿主镜的彗差上，让影像恢复原有的明锐（所谓的“施密特-牛顿式”）。

3、副镜在光路的中间，会遮挡部分光线，反射镜的支撑结构还会使星像形成衍射星芒，并且降低锐度和反差。

使用二或三个支架的支撑结构可以减少视觉上的星芒，减少衍射的峰值强度提高星像的反差。

弥散斑状的星像通常是由于支撑结构的不稳定和镜筒内不规则流动的空气使星光不能汇聚形成尖锐的星点。

虽然十字支撑结构能比三支架支撑结构更有效的消除衍射星芒，但三支架结构形成的六线星芒会给人一种审美上的良好观感。

4、牛顿反射望远镜的校准是个问题。

主镜和副镜的准直性会因为运输和操作时的震动而偏离，这意味着望远镜可能在每次使用前都需要校准。

3、Zemax设计牛顿望远镜的主镜是一个抛物面，光线由无限远处的物点发出，在焦点处形成完美的几何像点。

抛物面无球差，只有轴上的高阶像差。

3.1 设计要求焦距F=1000 mm，F/5。

3.2 设计过程可知曲率半径R=2F=2000 mm，口径D=200 mm。

使用轴向视场角和默认波长。

反射式不产生色差，无需设置多波长。

（1）键入：入瞳200，默认视场角，默认波长。

对比球面和抛物面时点列图：区别在于二次项（-1）。

球面时：抛物面时：（2）增加折转面：欲新增转折面镜，首先需定义折转面的置放位置。

面镜尺寸应尽可能地小型化，并将光束完全导离光轴。

由于入瞳直径为200 mm，成像面至少要在光轴上方100 mm。

现在，设罝为150 mm，因此折转面距离抛物面850 mm（1000 mm –150 mm）。

于是，改变抛物面的厚度为-850 mm。

在抛物面与成像面之间插入一个新的表面，键入该表面厚度为-150 mm。

这个新增的哑面将会被指定为使用「Add Fold Mirror」工具的旋转面镜。

如此从面镜到成像面的总厚度依旧是1000 mm。

另外，为了观察到入射光，在stop前加入一面，距离为1000 mm。

（3）折转：Tools-Coordinate-Add fold Mirror ；镜面45°放置折转面对望远镜系统的性能并无影响。

Spd，PSF保持原样。

（4）设置挡板：光线从对象发出经过旋转面镜到达第一面镜，然后反射回到成像面。

在实际系统中，负责引导成像离开光轴的旋转面镜将会遮蔽部分的入射光束。

由于ZEMAX在序列模式中，后面的表面并不会影响前面光线追迹。

为了定义遮蔽效应以接近真实状况，必须置入一遮蔽平面。

双击表面1的Surf:Type——Aperture——(Aperture Type)--Circular Obscuration--最大半径设为16.7。

（6）效果图：4、参考与鸣谢1.百度百科——牛顿望远镜，牛顿反射式望远镜2./newtonian-telescope-and-zemax-design/#comments3.工程光学设计-萧泽新5、附录：望远镜的性能简介望远镜一般由物镜、目镜和棱镜（或透镜）转向系统构成。

望远光学系统所成的像对眼睛的张角大于物体本身对眼睛的直观张角，因此给人一种“物体被拉近了”的感觉。

作用一：放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。

作用二：把物镜收集到的比瞳孔直径粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。

5.1 物镜的光学特性：物镜最重要的三个光学特性分别是相对孔径D f '物、焦距f '物和视场2ω。

1. 入瞳直径（或物镜孔径）D 决定物镜的分辨本领。

2. 物镜成像大小正比于物镜的焦距f '物。

3. D 和f '物决定系统的外形尺寸，D f '物（相对孔径）决定物镜的复杂程度和像面照度。

4. 视场2ω决定了观察范围。

具体如下：A. 相对孔径不大 望远镜是无焦系统，物镜的D f '物等于目镜的D f ''目。

目镜的相对孔径主要由出瞳直径D '和出瞳距z l '决定。

目前，望远镜的出瞳直径D '一般为4 mm ，出瞳距z l '要求为20 mm 。

为保证出瞳距，目镜的焦距一般不能小于25 mm 。

则：42516D f ''≤≈目故：相对孔径一般小于1。

B. 视场较小物镜视场角ω，目镜视场角ω'与系统的视觉放大率Γ有关系，下：tan tan ωω'=Γ目前，目镜视场2ω'大多在70°下，这就限制了物镜的视场，通常物镜视场在10°以下。

望远物镜一般主要校正轴向边缘球差、轴向色差和边缘孔径的正弦差。

设计物镜时，需考虑与目镜、棱镜的组合：1. 棱镜的像差由物镜来补偿。

2. 目镜中少量球差和轴向色差也由物镜来补偿。

故：物镜的轴向边缘球差，边缘孔径的正弦差，FCL '∆通常不是校正到0，而是指定数值。

5.2 物镜的结构样式：望远镜分折射式、反射式和折反射式三类。

A. 反射式和折反射式：（1） 反射：用凹面反射镜作物镜。

可分为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等几种类型。

（2） 折反：在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。

比较著名的有施密特望远镜。

在大孔径、长焦距中采用。

因为：1. 反射镜不产生色差。

2. 光路折转可以缩短轴向长度。

双反射镜应用较多，以后会专门介绍两镜系统。

主要有两种：1. 卡塞格林：主镜为抛物面，次镜为双曲面；成倒像，镜筒短。

检测较难2. 格里高利：主镜为抛物面，次镜为椭球面；成正像，镜筒长。

由于非球面加工、检测困难，轴外像差不能校正，出现折反射式。

一种是卡塞格林的改进：球面主镜+校正透镜。

主镜的像差可以得到校正版的补偿，能提高像质，增大视场和孔径。

著名的有：施密特，马克舒托夫和同心球壳校正版式。

B. 折射式：用透镜作物镜。

分为两种：由凹透镜作目镜的伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的开普勒望远镜。

折射式物镜有：1. 双胶合：视场2ω<10°；不同焦距适用的最大相对孔径D ff '物为1503、11504、13006、1100010 2. 双胶合+单：视场2ω<5°；相对孔径D f '物为1132，D 100< mm 。

3. 单+双胶合：视场2ω<5°；相对孔径D f '物为113 2.5，D 100≤ mm 。

4. 三分离：视场2ω<4°；相对孔径D f '物为112 1.55.对称：短焦距，大视场，小相对孔径；2ω<30°，2f'<50，Df'物<156.摄远：系统长度小于焦距。

分两种：一正透镜组+一远离的负透镜；双胶合物镜+厚弯月镜。

5.3 系统的整体性能：望远镜的整体性能主要由以下参数反映：A.倍率倍率M = 物镜焦距f'物/目镜焦距f'目。

一架天文望远镜通常配有好几个不同焦距的目镜，从而可得到几种不同的放大倍率。

比如当望远镜的物镜焦距为840 mm，目镜的焦距是10 mm，那么放大率就是84倍，若另一目镜的焦距为20 mm，则望远镜的放大率就是42倍了。