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[我分享] 离轴抛面镜设计

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发表于 2020-3-9 19:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

最近做了一个离轴抛面镜的例子，分享设计流程和几点自己的体会。          抛物面镜可以对有限远共轭的轴上视场（对于准直入射的平行光）完美成像。离轴抛物镜实际上是基底抛物镜上的一小部分，由于整个抛物面镜比较大，实际系统需要尽可能的减小反射镜的尺寸，并且解决遮挡问题，我们需要使用离轴抛物面镜来代替一整块抛物镜。
   前置系统参数如下：F数为8，希望将该焦点准直为直径约80mm的平行光，因此我们需要一个焦距为640mm的准直器（用直径乘以F数可得）。参考SORL公司生产的型号为25-055-04的离轴抛物镜，参数为焦距635mm，离轴距离为139.7mm，并且它的直径为101.6mm足够我们用来准直80mm的平行光。SORL提供的参数“离轴距离”表示的是原抛物面中心到离轴抛物镜内部孔径边缘的距离，但zemax中我们定义离轴抛物面内部孔径的中心到整个抛物面的中心为离轴距离。因此只需要将SORL提供的离轴距离加上离轴抛物面的半孔径即可得到zemax中使用的离轴距离。所以zemax定义的离轴距离为139.7+（101.6/2）=190.5mm。初始结构如下图：

   设置抛物面镜。zemax中设置曲率半径为1270mm（由于材料为Mirror，因此曲率半径为焦距的两倍）的标准面作为抛物镜，圆锥系数（conic系数）值为-1。添加抛物面反射镜，并且光束焦点位于抛物镜的焦点上，

重点：此时需要勾选无焦像空间选项，目的是使抛物面镜产生准直光线（可对比勾选前后，两幅点列图的区别）。此时准直结果完美，像差为零。
   设置偏心。当我们使用一束平行光入射抛物面时，只需设置输入光在抛物面之前偏心，并在抛物面之后使用主光线求解来旋转光轴即可完成光线完美汇聚。这里的操作逻辑是，先设置平行光偏心（平移抛物面），再设置光轴旋转与抛物镜焦点重合（使光轴与出射光束方向一致）。
重点：1.由于初始系统以汇聚焦点为起始点，需要这样设置：在抛物面前后分别插入坐标断点面，在抛物面前设置沿X轴倾斜（使抛物面的光轴与入射光束的光轴一致），然后在抛物面后设置偏心（将光轴移动到与目标出射光线光轴）。可以通过操作数设置来优化得到准确的倾斜角度。
2.我们需要在距离焦点635mm处此位置之前就旋转光轴。也就是说首先光轴进行倾斜，然后发散的光束传播635mm的距离到达抛物镜。如此一来抛物镜的中心就不再与光束光斑中心重合了。这样抛物面后设置的主光线求解的偏心就会产生影响。我们需要将635mm距离后移一个表面
   设置偏心的优化操作数。

   旋转抛物面镜，想要输出的平行光与输入光线平行。选择第11、12、13表面，点击工具栏中的“旋转/偏心元件”按钮，设置新的第11表面的Z轴倾斜为变量
重点：我们想要旋转离轴抛物镜，直到输出光线与输入光线平行。这意味着需要使输出光束在Y轴上没有方向分量。在评价函数编辑器中添加操作数RAGB（该操作数会返回光线到达在指定表面时Y方向的方向余弦），想要第17表面输出的光束的方向余弦优化为零。我们还需要将第11表面沿Z轴的倾斜量约束在±180°之内，超过这个范围系统位置将于周期内的位置重复。此处使用操作数PMVA提取旋转角度，使用操作数ABSO取出旋转角度的绝对值，使用操作数OPLT使目标操作数返回值小于180°。
截取离轴抛面镜。打开第13表面的表面属性，在孔径选项卡中设置一个100mm为直径的偏心圆形孔径，Y轴偏心190.5mm

完成！