牛顿反射式望远镜设计

牛顿式反射望远镜光路简图

上图是牛顿式反射望远镜的基本光路图，它于1670年由牛顿一手研制，基本原理是利用一个弯曲的反射镜面（图中主反射镜）反射到一个焦点上，这种方法比直接使用透镜将物体放大率高出数倍。

其优点在于，结构简单，节约成本，而且没有棱镜，所以不存在色散。

• 1. 设计指标
  

入瞳直径：100mm

焦距：800mm

全视场：4°

波长：可见光；

2. 基本参数设置

入瞳设置



视场设置



波长设置

3. 初始结构设计

反射镜参数讨论：LDE中有MIRROR类型，而且我们需要这个面是个抛物面，即平行于光轴的光线入射后的反射光线应当汇与焦点，则该MIRROR的圆锥系数Conic=-1.

此外，反射曲面的曲率半径和焦距的关系：R=2f，因此由f=800,则R=-1600；

ZEMAX中光路传播后遇到反射镜是厚度规则：第N个反射镜，厚度符号（-1）^n，则焦距光束应当汇聚与-800处。

lens data



初始layout

初始光斑图


初始光程差图

可以发现2,3视场（轴外光束）产生了较大的像散和慧差，因此这个系统的视场是很小的。

4.添加反射镜与光阑

按照牛顿式反射望远镜的设计，光路中需要增设一平面反射镜将像面折转到侧面观察。这个平面反射镜的位置比较讲究，如果平面镜远离抛物面镜，其对抛物面镜的遮拦效果小，但是折转出来的光路就会比较短；相反的，如果平面镜相对抛物面镜距离较近，折转出来的光路相对可以长一点，但是其尺寸比较大，对抛物面镜的遮拦影响较大。

我们可以让折转光路长100mm便于观察，则插入平面镜的位置就在-700mm处。

此处引入了一个问题，当光线需要离轴时，不可避免的需要更改其后的坐标系（因为我们需要在每个坐标系下的光线属性具有相承性）。这种时候一般由两种方法来进行改变：方法一直接让反（折）射面的坐标系（修改Tilt/Decenter属性值）进行旋转；方法二是在折反面的前后插入坐标断点面型（Coordinate Break）。实际中，特别是需要多次折转光路的系统中一般会采用方法二，即插入坐标断点的方法，因为这个此法相较于法一虽然相对繁琐，但是可以自运优化调整参数。

方法一 设置反射镜的Tilt属性值：

新插入的平面镜的前后表面都绕x轴旋转45度：

设置面倾斜属性


倾斜设置后layout

方法二 插入坐标断点：

插入坐标断点


插入坐标断点后layout

5. 插入新入射面

上面的光路图实际并不完整，光束入射到系统中时，并不是所有光线都能正常进入，平面镜会遮拦一部分光线，因此我们要在现有系统前插入一个入射面，模拟真实入射情况，如图：

插入新面



插入新面后layout

如光路图，此时的平面镜没有起到遮拦光线的效果，这是因为我们使用的是序列结构设计，从1面到2面中，光线对3面视若无睹，因为序列设计中，3面在2面后才会起到作用。但是这与我们实际应用肯定是大相径庭的，因此我们能做的就是修改1面的口径属性，根据3面对光线的遮拦效果，在1面上设置一个与之相当的遮光屏，

X-Y面layout

如上图，我们先在lens data表中选定平面镜，在3D图中标亮的就是对应面，我们将3D图折转到X-Y面，将鼠标悬停在其边界，可以大约得到该椭圆屏的长短径，我们根据这两个值，在1面上设置遮光屏（Elliptical Obscuration椭圆遮挡屏）的形状即可。

改变孔径属性


改变孔径属性后layout

如下图，Footprint光足迹图上也可以发现，0视场和1视场的光线损失了很多能量。

光足迹图



加椭圆光屏前的MTF



加椭圆光屏后的MTF

加椭圆光屏后

对比前后的MTF图可以发现：由于平面镜的遮拦效应，MTF值的下降只能用“惨烈”来形容。（特别是蓝色0视场）

6. 提高MTF

为了提高MTF，必须降低平面反射镜的遮光比，也许平面反射镜的形状可以做改变，为了观察边缘视场，可以添加几个视场：

添加视场

我们要看的是基本边缘视场到底在平面镜上在那个区域，

光足迹图

从上图我们发现，边缘视场实际在平面反射镜上的范围有限，并未占据全部表面，因此为了提高MTF，我们应当减小平面镜的尺寸，平面镜只需要边缘视场在其边缘就好，按边缘光迹图可以确定其大小，修改平面发射机的尺寸如下：

改变孔径尺寸



改变孔径尺寸后的光足迹图

光迹图显示，视场边缘刚好在平面镜边缘，

再依据平面镜的大小，改变1面的孔径属性和参数如图：

改变面孔径属性


初始MTF



更改面孔径属性后的MTF

可以发现，虽然MTF曲线不比没有遮挡平面镜时的好，但是，相较于此前系统的MTF优化了许多。

一个牛顿反射式望远镜的制作