反射式望远镜

高反射式望远镜光机系统简介及设计班号：0936203学号：6090120331姓名：蔡海蛟摘要：反射式望远镜所用物镜为凹面镜，有球面和非球面之分。比较常见的反射式望远镜的光学系 统有牛顿式反射望远镜与卡塞格林式反射望远镜，另外还有里奇-克莱琴式、达尔-奇克汉式望远镜，这些系统都是沿轴的光学系统。离轴设计有几种通过消除次镜或移动任何的辅助元件避开主镜光轴，以尽量避 免阻碍入射光的设计，通常称为离轴光学系统，包括赫歇尔式，Schiefspiegler, Yolo望远镜等。关键词：反射式望远镜； 牛顿；凹面镜； 光线按照光学结构的不同大文望远镜可分为许多不同的种类，但比较常用有：折射式大文望远镜和反射式 天文望远镜以及折反式式望远镜。折射式大文望远镜用光学透镜做物镜，而反射式大文望远镜用曲面反光 镜做物镜。尽管两者可以达到一样的效果，但它们的光学结构是完全不同的。折射式大文望远镜通常采用 两片或多片镀膜透镜组合而成的消色差物镜。折射望远镜是以会聚远方物体的光而现出实象的透镜为物镜 的望远镜它会使从远方来的光折射集中在焦点，折射望远镜的好处就是使用方便，稍微忽略了保养也不会看不清楚，因为镜筒内部由物镜和目镜封着，空气不会流动，所以比较安定，此外，由于光轴的错开所引起的像恶化的情形也比反射望远镜好 ，而口径不大透镜皆为球面，所以可以机械研磨大量生产 ，故价格较便宜。一般来 讲，制作大口径(100mm以上)的组合透镜是非常困难的，所以常见的折射式大文望远镜的口径都不超过100mm。反射式望远镜是使用曲面和平面的面镜组合来反射光线，并形成影像的光学望远镜，而不是使用 透镜折射或弯曲光线形成图像的屈光镜。这种望远镜通常利用一个凹的抛物面反射镜将进入镜头的光线汇 聚后反射到位于镜筒前端的一个平面镜上，然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外的目镜里，这样我们 便可以观测到星空的影像。以下重点介绍反射式望远镜。在1616年，意大利的僧侣Niccolo Zucchi是第一位创造出反射镜的人，但是他未能准确的塑造出面镜 的形状和用于拦阻影像的镜子，即缺乏观看影像的方法。在1663年，詹姆斯葛利格里出版了光学的进程(Optica Promota)，其中首度提出使用两个凹面镜制造反射镜的实用设计。1668年，牛顿制造出了第一架反射式望远镜(实物图见图一 (a),结构图见图一 (b)。a第一台反射式望远镜图一b内部结构图反射式望远镜所用物镜为凹面镜，有球面和非球面之分。比较常见的反射式望远镜的光学系统有牛顿式反射望远镜与卡塞格林式反射望远镜，另外还有里奇-克莱琴式、达尔-奇克汉式望远镜，这些系统都是沿轴的光学系统。离轴设计有几种通过消除次镜或移动任何的辅助元件避开主镜光轴，以尽量避免阻碍入射光的设计，通常称为离轴光学系统，包括赫歇尔式，Schiefspiegler, Yolo望远镜等。下面详细介绍一下沿轴的光学系统的各种望远镜，及离轴的赫歇尔式望远镜。a a）牛顿式反射望远镜1668年，牛顿经过多次磨制非球面的透镜均告失败后，决定采用球面反射镜作为主镜。他用2.5cm直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45度角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜（见图2）。它的球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。牛顿式反射镜的焦比可 以达到f/4到f/8,非常适合观测那些暗弱的河外星系、星云。由于反射镜的造价要比透镜低的多，因此对于大口径的望远镜来说，经常做成反射式的，而不是笨重的折射式。但是这种望远镜也存在许多缺陷，除 了像差较大外，开放的镜筒式的空气可以流通，这样不仅会影响到成像的稳定度，而且一些尘埃会随着流 动的空气进入镜筒并附着在物镜上，长此以往会破坏物镜表面的镀膜，使其反射力下降。b b）卡塞格林反射镜卡塞格林反射镜（通常称为传统的”卡塞格林反射镜。以抛物面镜作主镜，第二反射镜是双曲面镜， 将光 线反射回后方，并穿过主镜中心的洞孔，这种折叠光学的设计缩短了镜筒的长度。在小型的望远镜上，第 二反射镜会安置在光学的平面镜上。这是在前端用来封闭镜筒的光学玻璃，可以有效的消除使用支撑架产 生衍射星芒的现象。封闭的镜桶可以保持干净，主镜也得到了保护，代价是损失了一些集光力。穴塞格林反射镜c c）里奇-克莱琴式1910年代，乔治威利斯里奇和亨利克莱琴发明了里奇-克莱琴望远镜。里奇-克莱琴望远镜是一种特殊 的卡塞格林式反射镜，它的两个镜片都是双曲面镜（取代了抛物面的主镜），有效的消除了焦平面上的彗形像差和球面像差，使他有较广的视野可以用于摄影的观测。几乎所有研究级的反射镜都是里奇-克莱琴式的/设计。d d）里奇-克莱琴望远镜1910年代，乔治威利斯里奇和亨利克莱琴发明了里奇-克莱琴望远镜。里奇-克莱琴望远镜是一种特殊的卡塞格林式反射镜，它的两个镜片都是双曲面镜（取代了抛物面的主镜），有效的消除了焦平面上的彗形像差和球面像差，使他有较广的视野可以用于摄影的观测。几乎所有研究级的反射镜都是里奇-克莱琴式的设计。e e）赫歇尔式反射镜赫歇尔式反射镜是以威廉赫歇尔命名的的，他使用这种设计建造出非常大的望远镜，包括1789年建造，口径49.5英口寸（126厘米）的望远镜。赫歇尔反射镜的主镜是倾斜的，使观测者的头不会阻挡入射 的光线。虽然这会带来几何畸变，但可以避免当时使用金属反射镜的牛顿第二反射镜很快就会丧失光泽，而只有60%的反射率。图四赫歇尔式反射镜e e）schiefspiegleschiefspiegle戍射镜Schiefspiegler（-离轴或斜反射）反射镜是一种非常奇特的卡塞格林式反射镜，他将主反射镜倾斜以避 免第二反射镜在主镜上造成阴影。虽然消除了衍射的图形，却又导致了其他不同的像差必须要修正。这些 缺点在长焦比的望远镜上很容易处理一多数Schiefspiegler的焦比是f/15或更大，往往限制了只适用于月球和行星的观测。使用不同数量的镜面就是不同的类型，导致经常有大量不同的变化。库特尔式（Kutter style）使用单凹的主镜和凸面的次镜；一种multischiefspiegler使用凹面的主镜，凸面的次镜和抛物面的第三反射 镜。一些有趣的schiefspiegler，镜面可以在光路中参与两次一每一次反射的光路都使光线沿着不同的子午路径。空间对地观测光学系统经历了从折射式到反射式，从同轴光学系统到离轴光学系统的发展阶段.折射式光学系统由于受光学材料的限制 ，很难做到大口径和轻量化设计。反射系统受材料限制较小便于轻量化设计，完全没有色差，系统透过率高，同轴反射系统视场小，但是中心遮拦的存在严重影响了成像的像质。离轴三反射系统不存在中心遮拦，而且可优化变量多，提高光学系统视场大小的同时极大的改善了系统成 像质量。下面简单介绍一下离轴三反射系统及其优化（详见参考文献2）。图五同轴三反射系统结构图-晌代 F 液+时+】 十所小4（1）（S1为初级像差）1 （7I刈二S（T十莅）& 二 5。/（d1,d2,d3分别为面间距）设计一系统满足：瞳孔径320mm，系统焦距1800mm，视场角（土0.3o）x （土0.6o）,相对孔径5.6,无 中心遮拦。根据式（1）式（6）求出一系列的系统初始结构参数，选择结构合理的代入Zemax并优化，为实现无中心遮拦，将入射光瞳离轴150mm，同时将视场倾斜3。优化后得到的离轴三反射光学系统结构参数如表1。选择表2中所示的视场点对该系统的成像质量进行评价。图六离轴三反射系统点列图图7离轴三反射系统的MTF曲线选用点列图和光学传递函数来评价该系统的成像质量。 从点列图中可以看到， 各视场点的成像光斑大 小都小于7.5m均方根小于3.5该系统衍射极限的大小（即图中的圆）为7.536基本达到衍射极限所有视场点的光学传递函数曲线都接近衍射极限50线对/mm处的传递函数值基本达到0.80,该系统的成像质量良好。从牛顿制作出第一架反射望远镜到今天，300多年过去了，人们在其中加入了其他的设计，产生了许多的变形。例如，在牛顿式望远镜中加入一组透镜，就产生了施密特-牛顿式，除此之外，还有许多的变形，但他们的基本结构都是牛顿式的。在今天，世界上一些最为著名的望远镜都是采用牛顿式的结构。例如， 位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜，其主镜的尺寸为5米；W.M.凯克天文台的Keck天文望远镜，其 主镜由36块六角形的镜面拼接，组合成直径10米的主镜；还有哈勃太空望远镜，也是牛顿式望远镜。参考文献：1.反射（折反）式望远镜物镜的形式及其像差丁延卫，王立国光机电信息2002年11期2.离轴反射式光学系统设计伍和云，王培纲 光电工程2006年1月3.22m焦距太空望远镜光学设计韩丽辉激光与红外2008年6月4.光学夭 E 远镜400年卞毓麟科学（上海）2009年1期5.小型反射/折反射式望远镜的研究袁颖华苏州大学2011