基zemax反射式系统结构设计
基zemax反射式系统结构设计 1
1 球面非球面 2
2 典型反射系统 3
21 牛顿远镜（抛物面镜） 4
22 典卡塞格林系统 5
23 里奇克列基昂（RC系统） 6
24 格里高里系统 9
25 马克苏托夫卡塞格林式 10
26 施密特卡塞格林系统 14
27 施密特弯月形卡塞格林 16
28 达尔奇克汉卡塞格林 16
29 霍顿卡塞格林（HC系统） 17
210 阿古诺夫卡塞格林 18
211 普雷斯曼卡米歇尔卡塞格林 19
212 离轴斜反射反射镜卡塞格林 20
213 三反卡塞格林（Threemirror Cassegrain） 20
3 反射式特点 21
4 参考鸣谢 21
5 附录 22
1 球面非球面
球面参数表面半径（曲率）定义球面折射强烈球差明显
表面形状光轴外越越坦逐渐减折射角终光线会聚焦点
：球面边缘较陡非球面坦校正球差（应）
非球面曲率定义局部曲率表面范围变化常解析公式描述时表面坐标点矢高表示普遍形式旋转称非球面矢高：
中c顶点处基曲率k圆锥曲线常数r垂直光轴方径坐标非球面高次项
圆锥曲线常数k
表面类型
0
球面
K<1
双曲面
K1
抛物面
1椭球面
k>0
扁椭球面
非球面非旋转称时表示成双锥形表面形式变形非球面形式双锥形表面正交方两基曲率两圆锥曲线常数变形非球面两正交方附加高次项
非球面形式超环面（复曲面）超环面具环形面包圈形状
非球面高次项0非球面采旋转称圆锥曲面横截面形式性质：
A 反射面折射面圆锥曲面组特定轭点球差果目标位表面曲率中心球面成差完善
B 椭球面位表面侧实轭点成差
C 双曲面位表面两侧轭点成差
D 抛物面反射镜限远轴物点成完善点：抛物面反射镜（时双曲面反射镜结合）广泛应天文光学系统
E 物点差轭点轴移动时引入球差物点垂直光轴方横移动时慧差散场曲等会模糊
2 典型反射系统
面发展演化角度简单介绍种类卡式系统
1 Newton 抛物面 面
2 Classical Cassegrain 抛物面 双曲面
3 RitcheyChretien 双曲面双曲面
4 Gregory 凹抛物面 凹椭球面
5 MaksutovCassegrain 弯月透镜球面 球面反射
6 SchmitCassegrain 施密特校正器 面型意
7 Schmidtmeniscus Cassegrain 施密特校正器+弯月透镜 球面 球面
8 DallKirkham 椭圆面 球面
9 HoughtonCassegrain 双凸透镜+双凹透镜 球面 球面
10 ManginCassegrain 球面透镜 球面 球面
11 PressmannCamichel 球面 椭圆面
12 Schiefspiegler 斜反射离轴
13 Threemirror Cassegrain
21 牛顿远镜（抛物面镜）
单抛物面镜轴限远目标球差0受轴外慧差限制：需助倾斜面折叠反射镜光反射侧面
起初加工工艺采球面凹面镜
牛顿系统极消色差球差轴外慧差严重视场消球差物镜抛物面凹面镜代慧差更明显避免严重慧差牛顿系统F数f4
参数：f：1000 mmf5默认视场默认波长
设置挡板：双击表面1SurfType——Aperture——(Aperture Type)Circular Obscuration半径设167
22 典卡塞格林系统
镜：抛物面镜次镜：双曲面抛物面焦点双曲面虚焦点重合双曲面成实焦点处
利双曲面抛物面反射特性：凹面抛物面反射镜行光轴入射光线汇聚单点－焦点凸面双曲面反射镜两焦点会通中焦点光线反射焦点
点评：
a) 折叠式设计镜筒长度紧缩结构更紧凑
b) 种常设计慧差限制性差点具相f#单抛面镜相
c) 设计光线稍发散放率降适口径天文远镜
参数：入瞳 200mm 视场角（角度） 002103默认波长
LDE编辑：
表面2面型 圆形挡光 ：挡光半径0半径313999996mm
STO 面型 圆形光圈 ：光圈半径35mm半径100099998mm
23 里奇克列基昂（RC系统）
行光轴光﹐满足等光程正弦条件卡塞格林远镜克列基昂(HChretien)提出﹑里奇(GWRitch)制成﹐两姓氏第字母名RC远镜焦点称RC
镜：双曲面实现质改善
次镜：双曲面
实际慧差卡塞格林系统受散场曲限制
描述：﹑次镜形状接旋转双曲面﹐实种系统似视消三级球差彗差﹑旋转双曲面组成系统消彗差﹐视场卡塞格林远镜更﹐斑呈称椭圆形果采弯曲底片﹐视场会更﹐斑呈圆形
典型卡塞格林系统镜抛物面次镜双曲面样校正球差果镜改双曲面校正两种差球差慧差视场适增进步增视场需校正场曲象散畸变需方加组少两片透镜组成校正透镜组称场镜
参数1：入瞳150 mm默认视场波长6328取系统文件库
面1：圆形挡光 026 面2：圆形光圈2680 面4面5浮动光圈
参数2： F4入瞳 200 mm视场角（角度） 002103 默认波长
面2：圆形挡光 0305470009 面3：圆形光圈25100099998
24 格里高里系统
镜：凹形抛物面
次镜：凹形椭球面次镜镜焦点外次镜焦点镜焦点重合
抛物面焦点椭球面焦点重合椭球面成实焦点处
格里高利系统消球面差然存慧差凹面检测结构够紧凑
参数： F4入瞳 200 mm 视场角（角度）00070701默认波长
面2：圆形挡光 0295599995 mm 面3：圆形光圈25100040001 mm
25 马克苏托夫卡塞格林式
折反式述纯反射式
通透镜补偿矫正反射式差常见折反系统施密特卡塞格林系统马克苏托夫卡塞格林系统
区：（1）马氏施式改正透镜换弯月形透镜（两表面曲率半径相差相曲率厚度呈弯月形透镜）弯月透镜产生球差补偿球面凹面镜产生球差时满足消色差条件适调节弯月透镜球面镜间距矫正慧差（2）施式相马式透镜磨制更容易玻璃求较高：限制口径
球面反射镜+球面弱光焦度弯月玻璃校正版
设计减少离轴差例彗差
i 1944年苏联光学家德密特利•马克苏托夫发明镜球面镜作镜结合入射光孔弯月形修正壳改正球面差
ii 马克苏托夫式：（1）缺点制作口径(>250毫米10 英吋)受修正板抑制重量制作成会扬（2）马克苏托夫物镜校正整光束球差校正边缘球差存剩余球差轴外差说校正慧差校正象散
iii 马克苏托夫暗示取代卡塞格林式折叠光学构造约翰•葛利格里马克苏托夫想法发展出马克苏托夫卡塞格林远镜稍葛利格里1957年天空远镜杂志发表划时代f15f23马克苏托夫卡塞格林远镜设计珀金埃尔默明确预告项设计商业途
iv 天许马克苏托夫式采卡塞格林式’设计(称斑点马克苏托夫)：原次镜修正板侧片铝制斑点取代处已固定住须正校准消蜘蛛型支撑架产生衍射条纹缺点损失定量度(次镜曲率半径)次镜曲率半径必须弯月形修正板侧致葛利格里第二次设计(f15)改采修正板前面镜非球面镜减少差
参数1：Maksutov系统zemax文件库
方F数10 视场角015e光
面2面3——浮动光圈面4圆形挡光025 mm面5圆形光圈255 mm
参数2：Maksutov offset 取zemax文件库
入瞳200 mm视场0 035 05 默认波长
面2圆形挡光045 mm面3浮动光圈面4圆形光圈60120面5浮动光圈
26 施密特卡塞格林系统
折反式折叠光路修正板结合较紧密
镜：球面反射镜辅施密特修正板（改正透镜）改正球面差
次镜：承袭卡塞格林设计凸面镜做次镜设计会焦面附增加光学元件例场镜
图：施密特卡塞格林系统
施密特修正板：块波浪形改正透镜透镜中间厚两边薄
施卡系统：（1）视场改正透镜四次曲面难磨制：口径做
（2）拥许变形分两种：紧密非紧密a 紧密设计中修正板镜焦点非紧密修正板镜曲率中心（焦距两倍距离）b 非紧密设计紧密形产生较场变型修正镜筒长度增加
参数：zemax文件库
27 施密特弯月形卡塞格林
集合施密特马克苏托夫优点两种校正器施密特校正球差弯月校正慧差种类型卡塞格林长度显长适合口径
28 达尔奇克汉卡塞格林
1928年霍勒斯达尔设计1930年艾伦奇克汉艾伯特G英格尔写成文发表
镜：凹椭圆面镜次镜：凸球面镜
系统卡塞格林里奇克莱琴系统容易磨制没修正离轴彗差视场畸变离轴品质快变差长F数影响较焦f15反射镜会采
29 霍顿卡塞格林（HC系统）
改正镜：块双凸透镜块双凹镜组成修正球差彗差畸变视场色差极忽略计差离轴散面球面曲率半径较(马克苏托夫改正镜曲率半径)容易加工材料求较低 安装方面改正镜两透镜间间隔镜间距离容差正光轴
210 阿古诺夫卡塞格林
1972年PP 阿古诺夫光学元件球面镜
传统卡式次镜换成三空气隙透镜元件距离镜远透镜曼京镜作第二镜子表面天空面反射涂层阿古诺夫系统球状表面避免非球面制造测试然获处似少套系统实际非常难制做需精确区域球曲率半径取代等效非球面镜
211 普雷斯曼卡米歇尔卡塞格林
相述种类型卡塞格林说PressmannCamichel Type容易制造品质较差需加施密特校正器
212 离轴斜反射反射镜卡塞格林
Schiefspiegler(离轴斜反射)反射镜种非常奇特卡塞格林反射镜反射镜倾斜避免第二反射镜镜造成阴影然消衍射图形导致差必须修正
213 三反卡塞格林（Threemirror Cassegrain）
三片反射镜组成两间距三半径三圆锥系数八变量满足系统焦距球差彗差散场曲等系统性质求外足够变量进行系统布局结构优化设计三反射镜系统两反射镜系统视场易控制光学系统杂散辐射增加轴外视场光通量面度更加均匀着空间技术发展全反射式光学系统尤三反射式光学系统正逐渐成空间光学系统形式长光
3 反射式特点
反射式：（1）优势消球差焦距做更短口径做镜筒必做太长（2）缺点偏离光轴慧差严重导致视场较利型天文远镜巡天拍摄
折射式：（1）优点视场较相折射折反式密封性良：需常保养（2）严重缺点首先折射式物镜采玻璃玻璃身波长色光折射率加玻璃材质纯度铸造工艺等问题波长光线折射率差异会导致色光法汇聚点产生严重色差解决问题折射式物镜般采凸透镜色散领较强凹透镜组成复合透镜凹透镜汇聚波长色光稍稍发散减色差（3）次玻璃透镜两表面球面样光轴球面成夹角入射光线法准确汇聚点存球差口径越焦距越短透镜差越严重加磨造块高质量玻璃透镜工艺难度：折射式口径做焦距较长镜筒做较长搬运起便
4 参考鸣谢
1 Optical System Design
2 百度百科百度文库
3 光学天文远镜光学系统张泽夏
5 附录
51 常见种：
图1 牛顿式反射系统示意图 图2 格里高利式反射系统
图3 卡塞格林反射系统示意图 图4 施密特卡塞格林式折反系统示意图
图5 马克苏托夫卡塞格林折反系统示意图
52 焦系统
焦系统镜副镜均抛物面两抛物面焦点重合入射行光然行光出射优质激光扩束系统
(1)Cassergrain型焦远镜
参数：入瞳200 mm视场 00213默认波长
面2：圆形挡光0319 mm 面3：圆形光圈40mm100026193895 mm
(2)Gregory型焦远镜
焦系统缺点中心挡光影响光利克服缺点采离轴抛物面避开中心挡光
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基zemax反射式系统结构设计 1
1 球面非球面 2
2 典型反射系统 3
21 牛顿远镜（抛物面镜） 4
22 典卡塞格林系统 5
23 里奇克列基昂（RC系统） 6
24 格里高里系统 9
25 马克苏托夫卡塞格林式 10
26 施密特卡塞格林系统 14
27 施密特弯月形卡塞格林 16
28 达尔奇克汉卡塞格林 16
29 霍顿卡塞格林（HC系统） 17
210 阿古诺夫卡塞格林 18
211 普雷斯曼卡米歇尔卡塞格林 19
212 离轴斜反射反射镜卡塞格林 20
213 三反卡塞格林（Threemirror Cassegrain） 20
3 反射式特点 21
4 参考鸣谢 21
5 附录 22
1 球面非球面
球面参数表面半径（曲率）定义球面折射强烈球差明显
表面形状光轴外越越坦逐渐减折射角终光线会聚焦点
：球面边缘较陡非球面坦校正球差（应）
非球面曲率定义局部曲率表面范围变化常解析公式描述时表面坐标点矢高表示普遍形式旋转称非球面矢高：
中c顶点处基曲率k圆锥曲线常数r垂直光轴方径坐标非球面高次项
圆锥曲线常数k
表面类型
0
球面
K<1
双曲面
K1
抛物面
1
k>0
扁椭球面
非球面非旋转称时表示成双锥形表面形式变形非球面形式双锥形表面正交方两基曲率两圆锥曲线常数变形非球面两正交方附加高次项
非球面形式超环面（复曲面）超环面具环形面包圈形状
非球面高次项0非球面采旋转称圆锥曲面横截面形式性质：
A 反射面折射面圆锥曲面组特定轭点球差果目标位表面曲率中心球面成差完善
B 椭球面位表面侧实轭点成差
C 双曲面位表面两侧轭点成差
D 抛物面反射镜限远轴物点成完善点：抛物面反射镜（时双曲面反射镜结合）广泛应天文光学系统
E 物点差轭点轴移动时引入球差物点垂直光轴方横移动时慧差散场曲等会模糊
2 典型反射系统
面发展演化角度简单介绍种类卡式系统
1 Newton 抛物面 面
2 Classical Cassegrain 抛物面 双曲面
3 RitcheyChretien 双曲面双曲面
4 Gregory 凹抛物面 凹椭球面
5 MaksutovCassegrain 弯月透镜球面 球面反射
6 SchmitCassegrain 施密特校正器 面型意
7 Schmidtmeniscus Cassegrain 施密特校正器+弯月透镜 球面 球面
8 DallKirkham 椭圆面 球面
9 HoughtonCassegrain 双凸透镜+双凹透镜 球面 球面
10 ManginCassegrain 球面透镜 球面 球面
11 PressmannCamichel 球面 椭圆面
12 Schiefspiegler 斜反射离轴
13 Threemirror Cassegrain
21 牛顿远镜（抛物面镜）
单抛物面镜轴限远目标球差0受轴外慧差限制：需助倾斜面折叠反射镜光反射侧面
起初加工工艺采球面凹面镜
牛顿系统极消色差球差轴外慧差严重视场消球差物镜抛物面凹面镜代慧差更明显避免严重慧差牛顿系统F数f4
参数：f：1000 mmf5默认视场默认波长
设置挡板：双击表面1SurfType——Aperture——(Aperture Type)Circular Obscuration半径设167
22 典卡塞格林系统
镜：抛物面镜次镜：双曲面抛物面焦点双曲面虚焦点重合双曲面成实焦点处
利双曲面抛物面反射特性：凹面抛物面反射镜行光轴入射光线汇聚单点－焦点凸面双曲面反射镜两焦点会通中焦点光线反射焦点
点评：
a) 折叠式设计镜筒长度紧缩结构更紧凑
b) 种常设计慧差限制性差点具相f#单抛面镜相
c) 设计光线稍发散放率降适口径天文远镜
参数：入瞳 200mm 视场角（角度） 002103默认波长
LDE编辑：
表面2面型 圆形挡光 ：挡光半径0半径313999996mm
STO 面型 圆形光圈 ：光圈半径35mm半径100099998mm
23 里奇克列基昂（RC系统）
行光轴光﹐满足等光程正弦条件卡塞格林远镜克列基昂(HChretien)提出﹑里奇(GWRitch)制成﹐两姓氏第字母名RC远镜焦点称RC
镜：双曲面实现质改善
次镜：双曲面
实际慧差卡塞格林系统受散场曲限制
描述：﹑次镜形状接旋转双曲面﹐实种系统似视消三级球差彗差﹑旋转双曲面组成系统消彗差﹐视场卡塞格林远镜更﹐斑呈称椭圆形果采弯曲底片﹐视场会更﹐斑呈圆形
典型卡塞格林系统镜抛物面次镜双曲面样校正球差果镜改双曲面校正两种差球差慧差视场适增进步增视场需校正场曲象散畸变需方加组少两片透镜组成校正透镜组称场镜
参数1：入瞳150 mm默认视场波长6328取系统文件库
面1：圆形挡光 026 面2：圆形光圈2680 面4面5浮动光圈
参数2： F4入瞳 200 mm视场角（角度） 002103 默认波长
面2：圆形挡光 0305470009 面3：圆形光圈25100099998
24 格里高里系统
镜：凹形抛物面
次镜：凹形椭球面次镜镜焦点外次镜焦点镜焦点重合
抛物面焦点椭球面焦点重合椭球面成实焦点处
格里高利系统消球面差然存慧差凹面检测结构够紧凑
参数： F4入瞳 200 mm 视场角（角度）00070701默认波长
面2：圆形挡光 0295599995 mm 面3：圆形光圈25100040001 mm
25 马克苏托夫卡塞格林式
折反式述纯反射式
通透镜补偿矫正反射式差常见折反系统施密特卡塞格林系统马克苏托夫卡塞格林系统
区：（1）马氏施式改正透镜换弯月形透镜（两表面曲率半径相差相曲率厚度呈弯月形透镜）弯月透镜产生球差补偿球面凹面镜产生球差时满足消色差条件适调节弯月透镜球面镜间距矫正慧差（2）施式相马式透镜磨制更容易玻璃求较高：限制口径
球面反射镜+球面弱光焦度弯月玻璃校正版
设计减少离轴差例彗差
i 1944年苏联光学家德密特利•马克苏托夫发明镜球面镜作镜结合入射光孔弯月形修正壳改正球面差
ii 马克苏托夫式：（1）缺点制作口径(>250毫米10 英吋)受修正板抑制重量制作成会扬（2）马克苏托夫物镜校正整光束球差校正边缘球差存剩余球差轴外差说校正慧差校正象散
iii 马克苏托夫暗示取代卡塞格林式折叠光学构造约翰•葛利格里马克苏托夫想法发展出马克苏托夫卡塞格林远镜稍葛利格里1957年天空远镜杂志发表划时代f15f23马克苏托夫卡塞格林远镜设计珀金埃尔默明确预告项设计商业途
iv 天许马克苏托夫式采卡塞格林式’设计(称斑点马克苏托夫)：原次镜修正板侧片铝制斑点取代处已固定住须正校准消蜘蛛型支撑架产生衍射条纹缺点损失定量度(次镜曲率半径)次镜曲率半径必须弯月形修正板侧致葛利格里第二次设计(f15)改采修正板前面镜非球面镜减少差
参数1：Maksutov系统zemax文件库
方F数10 视场角015e光
面2面3——浮动光圈面4圆形挡光025 mm面5圆形光圈255 mm
参数2：Maksutov offset 取zemax文件库
入瞳200 mm视场0 035 05 默认波长
面2圆形挡光045 mm面3浮动光圈面4圆形光圈60120面5浮动光圈
26 施密特卡塞格林系统
折反式折叠光路修正板结合较紧密
镜：球面反射镜辅施密特修正板（改正透镜）改正球面差
次镜：承袭卡塞格林设计凸面镜做次镜设计会焦面附增加光学元件例场镜
图：施密特卡塞格林系统
施密特修正板：块波浪形改正透镜透镜中间厚两边薄
施卡系统：（1）视场改正透镜四次曲面难磨制：口径做
（2）拥许变形分两种：紧密非紧密a 紧密设计中修正板镜焦点非紧密修正板镜曲率中心（焦距两倍距离）b 非紧密设计紧密形产生较场变型修正镜筒长度增加
参数：zemax文件库
27 施密特弯月形卡塞格林
集合施密特马克苏托夫优点两种校正器施密特校正球差弯月校正慧差种类型卡塞格林长度显长适合口径
28 达尔奇克汉卡塞格林
1928年霍勒斯达尔设计1930年艾伦奇克汉艾伯特G英格尔写成文发表
镜：凹椭圆面镜次镜：凸球面镜
系统卡塞格林里奇克莱琴系统容易磨制没修正离轴彗差视场畸变离轴品质快变差长F数影响较焦f15反射镜会采
29 霍顿卡塞格林（HC系统）
改正镜：块双凸透镜块双凹镜组成修正球差彗差畸变视场色差极忽略计差离轴散面球面曲率半径较(马克苏托夫改正镜曲率半径)容易加工材料求较低 安装方面改正镜两透镜间间隔镜间距离容差正光轴
210 阿古诺夫卡塞格林
1972年PP 阿古诺夫光学元件球面镜
传统卡式次镜换成三空气隙透镜元件距离镜远透镜曼京镜作第二镜子表面天空面反射涂层阿古诺夫系统球状表面避免非球面制造测试然获处似少套系统实际非常难制做需精确区域球曲率半径取代等效非球面镜
211 普雷斯曼卡米歇尔卡塞格林
相述种类型卡塞格林说PressmannCamichel Type容易制造品质较差需加施密特校正器
212 离轴斜反射反射镜卡塞格林
Schiefspiegler(离轴斜反射)反射镜种非常奇特卡塞格林反射镜反射镜倾斜避免第二反射镜镜造成阴影然消衍射图形导致差必须修正
213 三反卡塞格林（Threemirror Cassegrain）
三片反射镜组成两间距三半径三圆锥系数八变量满足系统焦距球差彗差散场曲等系统性质求外足够变量进行系统布局结构优化设计三反射镜系统两反射镜系统视场易控制光学系统杂散辐射增加轴外视场光通量面度更加均匀着空间技术发展全反射式光学系统尤三反射式光学系统正逐渐成空间光学系统形式长光
3 反射式特点
反射式：（1）优势消球差焦距做更短口径做镜筒必做太长（2）缺点偏离光轴慧差严重导致视场较利型天文远镜巡天拍摄
折射式：（1）优点视场较相折射折反式密封性良：需常保养（2）严重缺点首先折射式物镜采玻璃玻璃身波长色光折射率加玻璃材质纯度铸造工艺等问题波长光线折射率差异会导致色光法汇聚点产生严重色差解决问题折射式物镜般采凸透镜色散领较强凹透镜组成复合透镜凹透镜汇聚波长色光稍稍发散减色差（3）次玻璃透镜两表面球面样光轴球面成夹角入射光线法准确汇聚点存球差口径越焦距越短透镜差越严重加磨造块高质量玻璃透镜工艺难度：折射式口径做焦距较长镜筒做较长搬运起便
4 参考鸣谢
1 Optical System Design
2 百度百科百度文库
3 光学天文远镜光学系统张泽夏
5 附录
51 常见种：
图1 牛顿式反射系统示意图 图2 格里高利式反射系统
图3 卡塞格林反射系统示意图 图4 施密特卡塞格林式折反系统示意图
图5 马克苏托夫卡塞格林折反系统示意图
52 焦系统
焦系统镜副镜均抛物面两抛物面焦点重合入射行光然行光出射优质激光扩束系统
(1)Cassergrain型焦远镜
参数：入瞳200 mm视场 00213默认波长
面2：圆形挡光0319 mm 面3：圆形光圈40mm100026193895 mm
(2)Gregory型焦远镜
焦系统缺点中心挡光影响光利克服缺点采离轴抛物面避开中心挡光
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