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  • ZEMAX光学软件习作三:牛顿望远镜

    作者:佚名 来源:光行天下论坛 时间:2011-03-18 16:01 阅读:3184 [投稿]
    你将学到:使用mirrors,conic constants,coordinate breaks,three dimensional layouts,obscurations。

    你将学到:使用mirrors,conic constants,coordinate breaks,three dimensional layouts,obscurations。

    牛顿望远镜是最简单的矫正所有on-axis aberrations的望眼镜。牛顿望远镜是利用一个简单的parabolic mirror完美地矫正所有order的spherical aberration,因为我们只在optical axis上使用,除spherical aberration外并没有其他的aberration。

    假想要设计一个1000mm F/5的望远镜,我们需要一个具有2000mm的curvature及200mm的aperture。在surface 1即STO上的curvature项中键入-2000 mm,负号表示对object而言,其曲面为concave,即曲面对发光源而言是内弯的。在thickness项中键入-1000,负路表示光线没有透过mirror而是反射回来,在Glass项中键入MIRROR,最后在System的General项中的aperture中键入200。

    Wavelength选用0.550,field angel则为0。现在看看spot diagram,你会看到一个77.6 microns RMS的spot diagram,而一个很方便估算image quality的方法就是在spot diagram的顶端上再superimpose一个Airy diffraction ring。从spot diagram的menu bar选择Setting,在Show Scale上选”Airy Disk”,结果如图Figure E3-1所示,你会发现和选”scale bar”的结果是一样的。图中所列的RMS spot size选”Airy Disk”为77.6 microns。光线并没有diffraction-limited的原因是因为我们还没有设定conic constant。先前我们设定的curvature的值为-2000只是定义一个球面,若要定义一个抛物面镜,则在STO的Conic项中尚需键入-1,接下来Update spot diagram,你会看到”Airy ring”为一个黑圈,而光线则聚集在圈内中心上,RMS值为0。

    可惜的是,成像的位置很不好,所谓的不好是它位于在入射光的路径上,若你要看这个像的话,你的观看位置刚好挡住入射光。改善的方法是在反射镜的后面再放一个折镜,fold mirror(后面是相对于成像点而言)。这个fold mirror相对于光轴的倾斜角度为45,把像往上提离光轴。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fold mirror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,然后在imagine plane前插入一个dummy surface,为何要插入dummy surface呢?又dummy surface是什麽呢?dummy surface的目的只是在帮助我们把fold mirror的位置标示出来,本身并不具真实的光学镜片意义,也不参予光学系统的任何”反应”,所以称为dummy surface。怎麽插入dummy surface呢?先在image plane前面插入一个surface,这个surface很快地就会被转变成fold mirror,但是你不要自己在surface type处去改变它成为fold mirror,而是选Tools中的Add Fold Mirror,并在其”fold surface”处选”2”代表定义surface 2为fold mirror,完成后你将看到如Zemax P.31页中LED的表。或许你会问,表中surface type处在surface 2及4中皆为Coord Break,这又是什麽?coordinate break surface是在目前的系统内定义一个新座标系统,它总是用dummy surface的观念用来作ray tracing的目的。而在描述此新座标系统中,通常选用6个不同参数,即x-decenter,y-dencenter,tiltx,tilty,tiltz及一个flag来指示tilting或decentration的order。

    要注意的是,coordinate break总是相对于”current”而”global”的coordinate system,即只是在一个系统内部,若要改变某样物件的位置或方向,我们即利用coordinate break来作此物件的区域调整,而不用重新改变所有的系统各部份。Coordinate break就像是一个平面指向调整后的局部系统的方位。然而coordinate break surface绝不会显示出来。而它的glass项中显示为”-“代表不能键入,而它的surface type型式一定跟它前一面镜的glass type一致。现在我们来看看layout,不能选2D(2D只能看rotational symmetric systems),要用3D看,叫出layout后,按↑↓ 或page down or up可以看立体效果,这个设计尚可再作改善,首先入射光打到fold mirror背后的部份可以vignetted,这在实际的系统中是一个很重要的思量。在STO的前面插入一个surface,令这个surface的thickness为900,在surface type中的Aperture Type还为”Circular Obscuration”,在Max Radius键入40,因为fold mirror的semi-diameter为31,如此才能遮蔽。Update 3D layout,如看不到像Figure E3-3的图,则在3D layout的setting项中改变the first surface和the last surface分别为1及6即可。

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