基于zemax的牛頓望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)

《基于zemax的牛頓望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、基于Zemax的牛頓望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)基于Zemax的牛頓望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)11、簡(jiǎn)介12、優(yōu)缺點(diǎn)32.1優(yōu)點(diǎn)：32.2不足：33、Zemax設(shè)計(jì)43.1設(shè)計(jì)要求43.2設(shè)計(jì)過(guò)程44、參考與鳴謝85、附錄：望遠(yuǎn)鏡的性能簡(jiǎn)介95.1物鏡的光學(xué)特性：95.2物鏡的結(jié)構(gòu)樣式：105.3系統(tǒng)的整體性能：111、簡(jiǎn)介1670年，牛頓制備了第一個(gè)反射式望遠(yuǎn)鏡。他使用凹面鏡（球面）將光線反射到一個(gè)焦點(diǎn)，如圖1，2。這種方法比當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)高出數(shù)倍。圖1，2老牛本準(zhǔn)備用非球面（拋物面），研磨工藝所限，迫使其采用球面反射鏡做主鏡：將直徑2.5厘米的金屬磨制成一個(gè)凹面反射鏡，并在主鏡的焦點(diǎn)

2、前放了一個(gè)與主鏡成45°的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會(huì)聚光經(jīng)反射鏡后以90°反射出鏡筒后到達(dá)目鏡。如圖3，4。球面鏡雖然會(huì)產(chǎn)生一定的象差，但用反射鏡代替折射鏡卻是一個(gè)巨大的成功。所有的巨型望遠(yuǎn)鏡大多屬于反射望遠(yuǎn)鏡，牛頓望遠(yuǎn)鏡為反射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展輔平了道路。從牛頓制作出第一架反射望遠(yuǎn)鏡到今天，300多年過(guò)去了，人們?cè)谄渲屑尤肓似渌脑O(shè)計(jì)，產(chǎn)生了許多的變形。例如，在牛頓式望遠(yuǎn)鏡中加入一組透鏡，就產(chǎn)生了施密特-牛頓式，除此之外，還有許多的變形，但他們的基本結(jié)構(gòu)都是牛頓式的。圖3，4在今天，世界上一些最為著名的望遠(yuǎn)鏡都是采用牛頓式的結(jié)構(gòu)。例如，位于巴樂(lè)馬山天文臺(tái)的Hale天文

3、望遠(yuǎn)鏡，其主鏡的尺寸為5米；W.M.凱克天文臺(tái)的Keck天文望遠(yuǎn)鏡，其主鏡由36塊六角形的鏡面拼接，組合成直徑10米的主鏡；還有哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，也是牛頓式望遠(yuǎn)鏡。牛頓反射望遠(yuǎn)鏡采用拋物面鏡作為主鏡，光進(jìn)入鏡筒的底端，然后折回開(kāi)口處的第二反射鏡（平面的對(duì)角反射鏡），再次改變方向進(jìn)入目鏡焦平面。目鏡為便于觀察，被安置靠近望遠(yuǎn)鏡鏡筒頂部的側(cè)方。牛頓反射望遠(yuǎn)鏡用平面鏡替換昂貴笨重的透鏡收集和聚焦光線，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。另外，焦距可長(zhǎng)達(dá)1000mm而仍然保持相對(duì)緊湊，可以便攜使用。不過(guò)，由于主鏡被暴露在空氣和塵土中，需要更多維護(hù)與保養(yǎng)。然而，這個(gè)小缺點(diǎn)不阻礙這個(gè)類型望遠(yuǎn)鏡的大眾化

4、，對(duì)于那些想要一臺(tái)價(jià)格經(jīng)濟(jì)，但仍然可以解決觀測(cè)微弱，遙遠(yuǎn)的目標(biāo)的用戶來(lái)說(shuō)，牛頓反射望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)理想的選擇。2、優(yōu)缺點(diǎn)2.1優(yōu)點(diǎn)：1、同折射和折反望遠(yuǎn)鏡相比，同樣口徑成本最低。因?yàn)榇罂趶降姆瓷溏R比透鏡的生產(chǎn)成本低很多。2、緊湊合理，便攜性好，焦距可達(dá)1000mm以上。3、由于F數(shù)普遍較短(f/4到f/8)，更容易的獲得較大的視野，具有較好的微弱深空天體觀測(cè)性能，例如遙遠(yuǎn)的星系、星云和星團(tuán)(但不是很方便，難度大于折反望遠(yuǎn)鏡)。4、長(zhǎng)焦距的牛頓式望遠(yuǎn)鏡可以獲得卓越的行星外觀，具有較好的月球和行星的觀測(cè)性能。5、由于采用反射鏡作為主鏡，無(wú)色差。6、由于光線無(wú)須穿透物鏡（它

5、只從鏡子的表面反射），所以不需要特別的玻璃材料，只需要能掌握住正確的反射面形狀，且只需要處理一個(gè)表面（折射鏡通常需要處理四個(gè)表面），因此非常適合非專業(yè)人士自制DIY。7、目鏡的位置在望遠(yuǎn)鏡筒前端，與短F數(shù)結(jié)合可以使用短而緊湊的架臺(tái)系統(tǒng)，減少費(fèi)用和增加便利性。2.2不足：1、一般不適合地面應(yīng)用。2、容易產(chǎn)生彗差，造成影樣偏離軸心擴(kuò)散的變形現(xiàn)象。這種擴(kuò)散在光軸上為零，隨著鏡子的視域呈線性的增加，也與焦距除以口徑的商（焦比）的平方反比來(lái)擴(kuò)散。通常在焦比大于f/6的系統(tǒng)，彗差已經(jīng)可以忽略掉，不會(huì)影響目視或攝影的結(jié)果。焦比小于f/4的系統(tǒng)，雖然不能忽視彗差，但可以借由廣視野

6、和低倍率成像來(lái)避免。透鏡也可以用在修正牛頓主鏡的彗差上，讓影像恢復(fù)原有的明銳（所謂的“施密特-牛頓式”）。3、副鏡在光路的中間，會(huì)遮擋部分光線，反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)還會(huì)使星像形成衍射星芒，并且降低銳度和反差。使用二或三個(gè)支架的支撐結(jié)構(gòu)可以減少視覺(jué)上的星芒，減少衍射的峰值強(qiáng)度提高星像的反差。彌散斑狀的星像通常是由于支撐結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和鏡筒內(nèi)不規(guī)則流動(dòng)的空氣使星光不能匯聚形成尖銳的星點(diǎn)。雖然十字支撐結(jié)構(gòu)能比三支架支撐結(jié)構(gòu)更有效的消除衍射星芒，但三支架結(jié)構(gòu)形成的六線星芒會(huì)給人一種審美上的良好觀感。4、牛頓反射望遠(yuǎn)鏡的校準(zhǔn)是個(gè)問(wèn)題。主鏡和副鏡的準(zhǔn)直性會(huì)因?yàn)檫\(yùn)輸和操作時(shí)的震動(dòng)而偏

7、離，這意味著望遠(yuǎn)鏡可能在每次使用前都需要校準(zhǔn)。3、Zemax設(shè)計(jì)牛頓望遠(yuǎn)鏡的主鏡是一個(gè)拋物面，光線由無(wú)限遠(yuǎn)處的物點(diǎn)發(fā)出，在焦點(diǎn)處形成完美的幾何像點(diǎn)。拋物面無(wú)球差，只有軸上的高階像差。3.1設(shè)計(jì)要求焦距F=1000mm，F(xiàn)/5。3.2設(shè)計(jì)過(guò)程可知曲率半徑R=2F=2000mm，口徑D=200mm。使用軸向視場(chǎng)角和默認(rèn)波長(zhǎng)。反射式不產(chǎn)生色差，無(wú)需設(shè)置多波長(zhǎng)。（1）鍵入：入瞳200，默認(rèn)視場(chǎng)角，默認(rèn)波長(zhǎng)。對(duì)比球面和拋物面時(shí)點(diǎn)列圖：區(qū)別在于二次項(xiàng)（-1）。球面時(shí)：拋物面時(shí)：（2）增加折轉(zhuǎn)面：欲新增轉(zhuǎn)折面鏡，首先需定義折轉(zhuǎn)面的置放位置。面鏡尺寸應(yīng)盡可能地小型化，并將光束完全

8、導(dǎo)離光軸。