实验三 牛顿望远镜 (A Newtonian Telescope)
一、实验目的：
（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；
（2）将知道如何使用圆锥常量（conic constants）、坐标中断（coordinate breaks）、三维图形（three dimensional layouts）、遮挡（obscurations）等等。
（3） 熟悉反射镜（mirrors）的设计方法。
二、实验环境：
（1）、硬件环境：普通PC机 （2）、软件环境：ZEMAX软件平台
三、实验内容：
设计一个焦距为1000mm、相对孔径为F/5望远镜镜片，在光轴上可见光谱范围内使用。
四、实验步骤：
牛顿望远镜时最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，而且它对于阐明ZEMAX的一些基本操作非常有用。首先，牛顿望远镜时由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无他物。抛物线很好第矫正了所有阶是我球差，由于我们只将望远镜使用在轴上系统，所以根本就没有其他的像差。为了重新开始，先关闭LDE外的所有窗口，选择“File”，“New”。
假设需要一个1000mmF/5的望远镜，这暗指需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和一个200mm的孔径。移动光标的第一面，即光澜面的曲率半径列，输入-2000.0，负号表示为凹面，现在在同一个面上输入厚度值-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后方”传递。现在在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框（General Data Dialog Box）”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。
ZEMAX使用的缺省值是波长550，视场角0，这对于我们的目标来说是可接受的。现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。如果你现在演示一个标准的点列图（拉下“Anolysis”菜单，选择“Spot Diagram”，再选“Standard”或键入“Ctrl-S”），将会看到一幅RMS为77.6微米的点列图。评定像质的一种较为简便的方法是将艾利（Airy）衍射斑加到点列图的顶部。进行此操作，可从点列图的菜单条选择
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“Setting”，在“Show Scale”选项中选择“Airy Disk”，然后单击“OK”，所得的点列图如图E3-1所示。
所列的RMS点的尺寸是77.6微米，光线并没有达到衍射极限(衍射极限是多少)的原因是没有输入圆锥常量。原先所输入的2000这个曲率半径只是定义了一个球形，需要一个锥形常量-1来定义抛物线。在第一面的“Conic”列输入-1，敲回车，现在选“Systen”，“Update”菜单项刷新所有的窗口，在更新后的点列图上，可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0.
这个高像质的图象所处的位置并不好。由于像处在入射光路的光程中，图象无法接受。这通常在镜面后安放一个转折光线用的反射面来调整，反射镜面以45度的角度倾斜，将像从光轴上往外转出来，为了使用转折面，首先必须定下它安放在那里。由于入射的光束为200mm宽，我们所需要的像平面至少要离开光轴100mm，选择200mm，因此折叠镜面必须距主反射有800mm。
E3-1
先从改变第一面的厚度着手，将之移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。新的面很快被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠镜面。
在新的虚构面上输入一个-200的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。（如何
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定义）。
现在单击“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后设置“Fold Surface”为2，单击“OK”，所得电子表格会被显示出来，而且会与下表相似。
现在可以看看新的折叠式牛顿反射镜系统。先前所使用的图将不再起作用（它只对旋转对称系统有作用），取而代之的是3维图形，可通过“Analysis”，“Layout”，“3D Layout”菜单来得到。一旦三维图形显示出来，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down键来控制图形的旋转。ZEMAX允许图形的交互式旋转。图E3-2显示了一种可能的投影。
E3-2
这个设计投影图可用多种方法完善。首先，光线从物体到镜面可被显示出来，还有，落在折叠镜面后面的光线应该被拦去，且不允许它落在像平面上。这对于真正的系统来说，是非常重要的，因为光线在通常的光学系统中，不可能物理地穿过反射镜。
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首先，将光标停在第一面，在光阑前加入一个虚构的面。现在使得虚构面的厚度为900mm，双击第一面的“Standard”,在对话框中为孔径类型选择图形遮拦（“Circular Obscuration”），在光束中安放一个“遮拦（Obscuration）”，这样就考虑到了折叠反射镜阻挡了一些光束。为“最大半径（Max Radius）”输入40，然后单击OK，再更新3维图。系统现在如图E3-3所示，看上去更为实际。如果不是所有的表面都是可见的，选择“Setting”，然后将第一面和最后一面的选项分别改为1和6，或单击“Reset”，然后按“OK”。
此处描述的过程，就是所有使用折叠反射镜所要注意的。坐标断点除了反射镜以外，也可用在TIP，倾斜和偏心光学部件上。完整的光学部件可以被移动，可参考ZEMAX所附带的一些设计例子。
E3-3
思考题：复习应用光学与光学设计课程内容，如何利用ZEMAX光学设计软件实现以下两幅图的光学系统设计样式？
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E3-4
E3-5
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