实验三 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计

实验三基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计

一．实验目的

学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。

二．实验要求

1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；

2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；

3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。

三．实验原理

1.牛顿望远镜基本结构：见理论课课本图6-10，抛物面主反射镜+与光轴成45度的平

面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；

2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；

3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描

述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：

Conic=0 球面； -1

Conic<-1 双曲面。

4.ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：

（1）定位置：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；

（2）添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。

5.鬼像与挡光板：

（1）鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。

（2）为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一般需要在其前面

加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。挡光板的口径通常要

比被挡元件的口径稍大。

（3）ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：

a.定位置：在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面（空面），由其要放

置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；

b.设置参数：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从none

改为所需要的挡光类型（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大

于被挡元件半径为宜。

四．实验内容

设计项目：利用ZEMAX软件来设计一个焦距为1000mm F/5的牛顿望远镜，即一个曲率

半径为2000mm的镜面和一个200mm的孔径。

图3.1典型牛顿反射式望远镜

1.打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新

建一个新的空白透镜。

2.在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关平面的曲率半径、厚度和玻璃类型值（反射

镜玻璃类型为MIRROR）。

3.在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认的波长和视场角值。

4.生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察

此时的成像质量。

5.生成标准点列图，并与艾利斑对比（从点列图中选设置-查看比例-Airy Disk）来

进行像质的简单分析（为什么此时还未到达最好的成像质量？）。

6.在主反射镜所在的面上设置圆锥系数，使主反射镜的面变为抛物面，此时再重新

分析成像质量。

7.在像平面前插入一个新的虚构面（未来放置反射镜），合理设置中断的坐标值以获

得光阑面和虚构面的厚度，将两个厚度输入LDE中的相应位置。

8.从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置交叠曲面为2，确定。

9.更新后观察此时的各分析图，注意分析哪些图已经不再起作用了。通过相应按键

操作旋转缩放3D类的分析图来观察成像质量。

10.在光阑面（STO）前新添加一个圆形挡光面，设置合理的面厚度和挡光半径。

11.更新后重新观察此时的3D类分析图，观察此时的成像质量和效果。

12.更名存盘后生成报告。

五．报告要求：

1.分析：

（1）试解释添加折返面的对话框中的3个选项的意义及添加后多出来的两个虚构面的作用；

（2）若要使本例的反射后的转角分别向上、（垂直于显示器平面）向里和（垂直于显示器平面）向外，那么分别应该做哪些具体改变？

2.分别打印反射方向为向上向下向里向外的最终实体图及某一方向的LDE的截图。

3.上传任一反射方向的存档，以学号为文件名。

六．实验仪器

PC机