牛顿望远镜 | SYNOPSYS 光学设计软件第88课
一.概述
前面课程讲过消色差透镜，色差是由于玻璃材料自身的物理性质决定的像差，只要是带折射的光学系统，都难以避免色差。通过消色差理论我们可以知道，二级光谱近似为一定值，正比于P-V玻璃图的斜率。为了矫正色差，前人另辟蹊径，开发出了反射式望远镜。
很多的望远镜成像系统就是用反射成像，典型的如哈勃望远镜，望远镜中最简单的反射式望远镜就是牛顿望远镜，它仅由一个抛物面反射镜和平面反射镜组成。典型构成如下图所示，在工作时，远方传来的光线经凹面反射镜反射汇聚于光焦处，接着经过一个平面反射镜反射到观察者的眼睛中。其中物像经过了两次转换方向。
图一 牛顿望远镜系统图
二.设计要求
焦距：800mm
F#：4
视场：1°
波长可见光范围
计划使用抛物面作为主反射面，由抛物面的数学定义可知，抛物面能将轴上物点的球差全部消除，然而轴外视点像质会迅速下降，所以适用于小视场。从原理图上我们知道，牛顿望远镜中真正对光线起聚焦作用的其实仅一个抛物面反射镜，平面镜只起转折光路方向作用。
在SYNOPSYS的系统参数中设置好初始条件：
更改表面类型为反射。
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，所以反射面的圆锥系数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；SYNOPSYS中光路遇到反射镜的厚度规则是：第N个反射镜，厚度符号（-1）^n，则焦距光束应当汇聚与-800处。
设置完成后查看结构图和初始像质。
可以看到0视场角成像理想，而高视场角出现了像散和慧差，与理论一致。查看点列图有：
此时我们继续添加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。
我们令折转光路长200mm，则平面镜位置在-600mm处。
面2在倾斜中设置平面为镜子类型，厚度为200mm，完成后其结构如下：
查看0视场的MTF，可以看到MTF达到了衍射极限。
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。
我们看见序列结构设计中，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。
我们可以更改1的孔径，为面1设置一个内孔径，孔径半径与面3遮光区域相同，此时光线进入就会近似真实情况。
镜头结构
请联系工作人员获取
可以看见模拟真实后MTF下降很多，这在1视场会有更明显的体现。
我们可以通过调节面3的孔径，合理降低遮光区域来提高系统的MTF，这里交给读者自行实验。
