基础光学工艺23_施密特－卡塞格林平场光学系统.doc

基础光学工艺第二十三章 施密特-卡塞格林平场光学系统第 142 页第二十三章 施密特－卡塞格林平场光学系统牛顿式或者卡塞格林反射式望远镜模糊成象的缺陷已成为使用者的研究课题其中有些缺点，例如敞开式镜筒中的气流对象质的影响以及擦去镀膜面上的灰尘和凝聚的水气而使镀层损坏等是难以克服的，短焦距牛顿式望远镜不可能有足够高的放大率来观察行星系，而大视场长焦距卡塞格林望远镜又存在一系列缺陷( 见图 23.1)因此，许多业余爱好者使用折反射光学系统，例如用施密特－卡阻格林和马克苏多夫系统，这些系统中用校正透镜来平衡主反射镜的象差1930 年研制的早期施密特相机的校正板装在投射镜的曲率中心处，于是望远镜筒长为实际焦距的两倍由于焦平面严重弯曲，因而难以达到目视工作的要求，因此这种施密特相机只能制成短焦距大视场1940 年詹姆斯贝克(James G.Baker)提出了平场照相机后来用于目视工作的施密特－卡塞格林系统又设计成了具有同样总体尺寸并较流行的马克苏多夫式望远镜系统例如 1962 年 4 月罗纳德(Ronaed R.)、威廉(Willey Jr.)在《天文与望远镜》(P191 和 226)文中介绍的望远镜，其副镜( 橢圆镜)装在一块校正板上，以消除十字叉丝的衔射效应。

由于球面更为平坦，具有十字叉丝的焦面位于主反射镜的后面，这样对目视观察是有利的，而且由于校正板的孔径与主镜一样大，所以望远镜的有效孔径大于相应的马克苏多夫－ 图 23.1 业余爱好者与专业天文学者卡塞格林系统由威廉先生的计算机光线追跡结果表 使用的一些望远镜系统明，施密特－卡塞格林系统的轴外点的象质是满意的1. 可能的设计方案球面和二次曲面可以有各种不同的的组合，例如，抛光面为主镜、球面为次镜；橢 圆面为主镜、球面为次镜(Dall-Kiham 系统的校正板必 须过校正或校正不足) ；主镜及 图 23.2 主镜与次镜有相同的曲率半径的平场基础光学工艺第二十三章 施密特-卡塞格林平场光学系统第 143 页次镜有相同半径的扁球面 施密特－卡塞格林系统(图中符号意义见表 23.1)(mariner 望远镜)显然，由主 镜翘边或次镜塌边达到消球差、慧差和象散目的 时易于实现中等程度的校正(不足或过头) 图 23.2 所示的望远镜系统是所有复合的施密特－卡塞格林系统中最容易制造的一种形式，因为系统 f 的主镜和次镜都是具有相同曲率半径的球面。

而系统Ⅱ则稍微有些差别，主镜与次镜有相同的曲率半径，但次镜是一个浅的圆锥面下面首先介 绍系统Ⅰ2. 系统Ⅰ(球面型的主镜与次镜)主镜与次镜的曲率半径相等，满足匹兹伐条件，使象面弯曲为零而形成平的象面与 标准的卡塞格林系统的象散比较， 该系统象散对换的系数小，因为低的放大率(1.71 倍)和小的光圈(f/11) ,彗差可以不必考虑由于镜筒是密封的，并且校正板与次镜重合， 这种结构紧凑的光学系统正好与 f/5 牛顿式反射望远镜的镜管长度近似相等，当然 f/11 的有效焦比具有更大的通用性 这里列出四种尺寸，焦距范围从 66in（口径 6in）～132in(口径 12in)这样，高的放大率可以用短的焦距；而中等大小的视场可以用低的放大率以满足各种天文摄影的要求表 23.1 列出了设计参数表 23.1 施密特－格林望远镜(in)CA 校正板通光口径 6 8 10 12Dc 校正透镜全直径 6.5 8.5 10.5 12.5Dm 校正透镜厚度 0.25 0.375 0.5 0.5Tm 主镜直径 6.0 8.0 10.0 12.0Dh 主镜中心厚度 1.0 1.5 1.75 2.1Ds 主镜中心孔直径 2.5 3.5 4.375 5.125Ts 次镜全直径 2.25 3.5 4.375 5.125R1 次镜厚度 0.375 0.4 0.5 0.625R2 主镜曲率半径 76.52 102.0204 127.754 153.06S 反射镜间距 22.123 29.515 36.891 44.273BFL 后焦距 27.872 37.168 46.456 55.752EFL 卡 塞 格 林 系 统 的 有 效 焦 距 66.136 88.193 110.233 132.290以 mm 为单位CA 校正板通光口径 1524 203.2 254.0 304.8Dc 校正透镜的全直径 165.1 251.9 266.7 37.9Tc 校正透镜存度 6.35 9.52 12.7 15.88Dm 主镜直径 152.4 203.2 254.0 304.8Tm 主镜中心厚度 25.4 34.92 44.45 53.34Dh 主镜中心孔直径 50.8 63.5 76.2 88.9Ds 次镜全直径 66.68 88.9 111.13 133.35Ts 次镜存度 9.53 10.16 12.7 15.24R1 主镜曲率半径 1943.61 2595.98 3244.95 3887.72R2 次镜曲率半径 1943.61 2595.98 3244.95 3877.72S 反射镜间隔 562.18 750.44 937.03 1123.44BFL 后焦距 707.95 944.07 1179.98 1416.10EEL 卡塞格林系统有效焦距 1679.85 2240.10 1799.92 3360.17基础光学工艺第二十三章 施密特-卡塞格林平场光学系统第 144 页(1)为了便于摄 影，如果需要的话，主镜中心孔直径可以大于 25.4 。

2)该距离隋固定次 镜的软木塞厚度与次镜的厚度而变，变化范围为 25.4～50.8mm3. 反射镜的制造因为主次投射镜具有相同的曲率半径，所以它们可以一起制造，一个作为投射镜圆盘，另一个作磨具奥斯卡克纳布（ Oscar-Knab）在制造 4.5in 反射镜作了类似的工作（《天空与望远镜》1961.10P.233）他建 议研磨球面 时要经常用国产球径仪来检验，而且可以用任何常规的方法来加工 F/6 的球面，只是比常 规 F/8 牛顿式反射镜的曲率半径稍小一点曲率半径的公差 为±1in ，因为光学系统装配后再检验时，最后的允许误差值就确定了此时可以用黄铜或薄铝片制成样板来检验凹面镜的曲率半径用 320 号金刚砂研磨之前，根据标 23.1 上列出的校正孔的直径，用中心钻钻出两块反射镜上的孔因为从磨砂玻璃块 上切割下来的副镜与主镜上的直径近似相等，所以可以用同一个圆柱空心钻钻出为了做好这项工作，要做一个精确的圆形胶合板样板，样板的外径与主镜的直径相等， 样板的中心孔内径与次镜直径相等空心钻的外径决定了主镜的中心孔大小，其内径则套出了次镜的外径80 号碳化硅砂粒的大小影响两个孔的直径制造透镜时次镜的直径误差为±1/32in 中心钻的外径及砂粒的大小确定了主镜上孔的大小。

图 23.3 作出图示说明铜或钢的薄壁筒必须与胶合板样板中心孔的尺寸一致将圆筒装到 钻床上时，它必须与中心杆相匹配钻削中心孔 时，将样板放在粗磨过的凹面镜表面上，样 板的中心孔中加入80 号金刚砂及水，在反射 镜中与样板的边缘贴上几层胶带纸，使两者可靠地固定钻了大约 1/8in 深度后，撕掉胶带纸 并取下样板，然后才可以加入一些碳化硅砂，并用均匀的压力钻孔因为钻透时底面可能破损，故不必 钻通， 图 23.3 从凸面钻取主镜与次镜中心钻的而是把样板贴在反面再慢慢地钻削，直到与 钻孔装置原来已钻好的部分接通为止下一步是在凸磨模玻璃上放凹面镜，以钻出副镜开始钻进凸模时仅用 320 号碳化硅， 钻孔前玻璃坯料必须互相对准中心并用胶带纸固定一当钻出凹的圆环槽后，象凹面镜钻孔一样钻孔完毕从玻璃毛坯上套钻出的工件都必须用 145 号砂磨出 1/32in 的倒角，钻出的孔也必须倒出大的倒角然后用熔化的石蜡将玻璃块再粘入套孔中，插入三根火柴棒使玻璃块与孔均匀隔开用细金刚砂细磨反射镜表面后再用球径仪或半径样板检验其镜曲率半径二块凹凸球面对磨，上下位置交替可以修磨到要求的曲率半径。

如果反射镜的曲率半径太小就放在下面加工；反之亦然两个背面也应该细 磨以便抛光但初学者加工的反射镜前表面可能成球面或抛物面首先抛光主镜，然后用刀口仪或罗契测试仪在球面的中心检验球面(见图 A14.1 与 A14.2 所示的焦点图或罗契检验图形)凹面反射镜的背面必须进行粗抛光并使表面与周围环境温度一致，以免由于泰曼效应而引起焦点图的变化一旦发生了变化，则要重新修磨球面接下来是抛光次镜的平面与凸面，次镜的平面粗抛到 50%，而球面仍然保持不变 检验凸面时，透射光线穿过扫射镜的平面从而引起检验误差用这种方法检验透镜时有透射缩小效应，所以，罗契 检验时最好使用黄的或红的虑色片次镜曲率半径有微小的变化是允许的，可用零位 图(球面)法基础光学工艺第二十三章 施密特-卡塞格林平场光学系统第 145 页从两块玻璃坯料上取下嵌入孔内的玻璃圆块的办法是在沸水里熔化玻璃圆块四周的石蜡用二甲苯清洗两个表面，然后再用含有洗涤剂的水溶液洗净并烘干，最后在两个表面上镀上铝保护层4. 校正板玻璃的选择制造校正板用没有条纹的平行平板玻璃，施密特－格林望远镜中的校正板是用 BSC2 或BKT 冕牌玻璃制造的高 级的平板玻璃，例如　 Water－Wite、双面研磨和抛光的平板玻璃或浮法(选择 )玻璃均可以采用。

从 赛蒙巴克公司(Semon Backe)可买到为些玻璃肖特 UBK5 隘口氟化钙是重要的透射紫外线的材料校正　 孔径比设计 的孔径至少大 1in ,以便于光学加工较大尺寸的校正板宜用透镜夹具夹持孔径 6in 的校正板厚度 为 1/4 ；而孔径 12in 的校正板厚度为1/8～1/12in但是对前者使用 较厚的玻璃可能更好些，因 为可以避免由于校正板的变形而引起象散但两者的修正过程或望 远镜特性并无显著的差别从一块平板玻璃上至少要切割两块圆片玻璃假如从肖特.康宁(Crnig) 、鲍许隆及其经营商那里买来的玻璃，则质量一般是可以保证的应将每一块玻璃面与完工后的镀铝球面主镜组合起来进行刀口质量检验，可用刀口仪或罗契测量玻璃的条纹级别或折射率的不均匀性大量条纹聚集在一起，就象水从水龙头 里流出来时形成象木纹一样的纹路用上述方法测试时，折射率的不均匀性产生暗条纹(象射击枪靶似的条纹)玻璃或光学石英一旦出现暗条纹就应放弃不用然而，若条纹充满孔径并与中心对称，则这块玻璃仍然可用合格玻璃的正中通常有一个环，而且整个孔径上还有三个间隔相当均匀的环从一块大的玻璃上切下一块玻璃检验时，有时会出现不对称的彩色阴影，并显示出象散的存在。

但是折射率的微小变化不会引起修整的困难，所以可以不必考虑它对于玻璃圆盘或玻璃块的微小折射不均匀性的更进一步的检验方法参见第五章5. 校正板的初步加工因为校正板与一块理想的平行平板的偏离最多大约为 6 个波长，所以可以用一块好的平板玻璃直接抛修而成然而，实际上在抛修过程中可能还要做许多工作首先使两个表面平行沿着边缘检验许多点的楔度或厚度的变化不应.002in 如果不符合要求，必须 用 225 号金刚砂磨一面或两面使达到规定的公差之内然后用细的碳化硅金刚砂沿周边倒角若倒角太小或者工人用过量的抛光及聚集于边缘的抛光沥青胶以及加工时掉在抛光模上的玻璃屑都会使光学表面产生道子与划痕当玻璃圆盘的楔角小于 0.0002in 时才能装在平铝模上并 应在中间垫一张同样大小的描图纸(制图纸 )或橡皮 垫圆盘与模子四周用两层胶带纸固紧，然后开始加工直径 6.5in，厚度小到0.25in 的校正板6. 抛光机制造校正板有许多种光学加工方法，对有经验的工人来说方法更多图 23.4 所示为以传统的操作方法用细磨抛光机制造校正板，而业余望远镜制造者则不得不把钻床当作抛光机来使用。