ZEMAX光学软件习作三：牛顿望远镜

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。