应用光学实验四

实验四 施密特—卡塞格林望远镜系统（Schmidt-Cassegrain） 一、实验目的 1． 掌握Zemax中非球面镜面的定义与输入方法 2． 掌握Zemax中利用非球面镜的优化像差； 3． 熟悉Zemax中MTF的使用。 二、实验内容 1． 设计一个带多项式非球面矫正器施密特—卡塞格林系统； 2． 优化该系统的色球差。 三、实验器材 1． pc机一台 2． Zemax软件 3． Zemax Manual一册（英文版） 四、实验过程 施密特-卡塞格林望远镜是在1931年由德国光学家施密特发明的优秀广视野望远镜。在镜筒最前端的光学元件是施密特修正板，这块板是经过研磨接近平行的非球面薄透镜，可以确实的改正与消除主镜造成的球面像差。 自从1960年代，星特朗(Celestron)公司介绍了这一型的望远镜之后，数以万计的业余天文学家已经购买和使用过施密特-卡塞格林望远镜，直径从20厘米(8英寸)到48厘米(16英寸)都有。本次实验是设计一个带多项式非球面矫正器施密特—卡塞格林系统 (Schmidt-Cassegrain) 。设计的使用范围为可见光谱。我们将采用10英寸的孔径，10英寸的后焦距（从主镜的后面到焦点）。 输入数据：由于只有矫正板和主反射面，进行这个设计是比较简单的，因此我们开始时先在光阑后插入两个面。选择“SYSTEM”，“GENERAL”，输入10作为孔径值。在同一个屏幕上，将单位“毫米（Millimeters）”改为“英寸（Inches）”。选择“SYSTEM”，“WAVELENGTHS”，得到“波长数据”屏幕，设置3个波长：486，587，和656，其中587为主波长。 现在，我们将使用缺省的视场角0度，在Lens Data Editor中输入数据，如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 。光阑被放在主面曲率半径的中心，这是为了排除视场像差（如彗差），它是Schmidt设计的特点。 我们可以选择2D Layout演示一下图形以验证一切是否就绪。现在我们将加入辅助镜面，并安放像平面。我们以后将让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。现在修改表格，使之如下表所示的以表达一个新的面。 注意我们已将主反射面的距离减小到-18，这将使辅助镜面的尺寸减小。像平面的距离现在是28，实际上，是在主反射面后10英寸。第四面的半径已经被加入了一个变量标记，我们将让ZEMAX去找寻恰当的曲率。由于还没有输入任何的曲率，像并不清晰。更新2D Layout图层，检查一切是否正常（请画图 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 结果）。 优化及光学性能分析：现在选择“Editors”，“ Merit Function”显示评价 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 编辑从评价函数编辑窗口菜单中选“Tools”，“Default Merit Function”，单击“Reset”，然后改变“Rings”选项为“5”，单击OK，RINGS选项决定光线的采样密度，此设计要求大于缺省的3。选“Tools”，“Optimization”，选“Automatic”，评价函数很快将下降到约1.3。这是剩余的RMS波差。单击“Exit”，然后选择“SYSTEM”，“UPDATE ALL”， 辅助镜面的半径已经从“Infinity”被改为-41.83。现在选择“ANALYSIS”，“FANS”，“OPTICAL PATH”演示OPD图，OPD图显示离焦和球差（请画图记录结果）。 注意大约有4个波长的像差仍然有待改正。现在单击第一面（光阑面）的“STANDARD”表面类型，从所显示的对话框选择“EVEN ASPHERE”。这种面型允许为非球面校正器指定多项式非球面系数。单击OK，在第一面向右移动光标直到“4th Order Term”列，键入Ctrl-Z。这样就给这个参数设置了一个变量标记，当前为0。也在“6th Order Term”和“8th Order Term”上设置变量标记。现在选择“Tools”，“Optimization”，再单击“Automatic”。几秒钟后，评价函数将会下降，这是由于ZEMAX平衡了高阶球差。单击“Exit”。这里我们可以感受到调节镜面高阶非球面系数这个自由度来达到更优化的结果，对于透镜同样可以达到这样的目的。现在再次更新OPD图（请画图记录结果）。球差已经大体上被减小。注意现在的约束像差为色差，每一个波长值有不同数量的球差。这被称为色球差，我们将很快改正它。为了矫正色球差，我们需要用轴上颜色来平衡它。这是一个常用的设计方法，即在同一种像差中，用低阶像差来平衡高阶像差。这里，色球差是一阶轴上色差的高阶分量。为了引入轴上色差，我们将改变第一面，即校正器的前面的曲率。现在设置第一面的半径为变量，再次优化（Tools，Optimization，Automatic）。评价函数将会再次下降。现在单击EXIT，更新OPD图（请画图记录结果）。 这是我们所要求的解决方法，剩余的像差比1/20的波长还要小！现在我们可以打开视场角，调整设计。从主菜单，选SYSTEM，FIELDS，并将视场角的个数设置为3，输入y-角0.0，0.3和0.5度。如果你现在更新并查看OPD图，你将会在全视场看到大约1/2波长的彗差，我们只要再优化就可以很容易地改正它（请画图记录结果）。因为我们已改变了视场，我们必须重新创建评价函数。这是非常重要的一点！你必须鉴别缺省的评价函数是建立在你所定义的波长和视场基础上的，如果你改变这些值，你必须重新创建评价函数。在评价函数编辑时，选Tools，Default Merit Function，并将RINGS改为4，单击OK。 现在选Tools，Optimization，然后单击Automatic，当已聚集后，单击EXIT，再次更新OPD图，已是一个很好地平衡了像差的设计（请画图记录结果）。 使用MTF功能：假设我们将要用这个望远镜来拍摄。我们可能会对调制传递函数（MTF）感兴趣，它指明了像的对比是空间频率（通常以毫米的倒数为单位）的函数。要看MTF图，可从主菜单中选择Analysis->MTF->FFT MTF。(学习应用光学书本9.4节) （请画图记录结果） MTF图是一种非常有用的分析工具。结果显示了所有已给定视场的切向和径向的响应。但是，图中仍然有些错误。有经验的设计者会认识到，所显示的数据是一个圆形光瞳的自相关。真正的问题所在是我们还没有 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 系统中的这几个通光孔径和遮挡，存在着由辅助镜面引起的遮挡，并且，在主反射面上还有一个缺口。如果我们加入这些影响，性能会减低，特别是在中间的空间频率方面。 要改正这个分析时的缺点，返回到LDE，双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“Circular Aperture”，到Min Radius中输入1.7。这表示所有的光线穿过表面时离轴距离必须要大于1.7英寸，这就是主反射面的缺口“Hole”。将“Max Radius”改为6。辅助镜面上的遮挡较为复杂，在光学上它需要被放置在辅助镜面前面。由于ZEMAX是按顺序地追迹光线的，我们必须将它放置在主反射面前。 仍然在第三面时，按下 Insert 键，在校正面和主反射面之间键插入一个新的面。将新面（即第3面）的厚度从0改为20。往上移一行，将第2面的厚度由60改为40。对于主反射面来说，校正器与它的距离现在就是60，我们已经简单地加入了一个中介面。在第3面的第1列上双击，将孔径类型设为“Circular Obscuration”，并将“最大半径（Max Radius）”（不是最小）设为2.5，然后单击OK。再将第3面的半口径定为2.5。现在更新图形。如果你正确地进行了这些步骤，你将会看到如下图所示的图形。 在遮挡器和辅助镜面之间的小缝隙纯粹是很小的一点。这里是为了更容易让大家看到。如果愿意，你可以将它移到辅助镜面的上面。MTF现在已被主要是辅助镜面产生的遮挡所改变。更新MTF窗口，看一下新的MTF（请画图记录结果）。