光學(xué)組合反光鏡的設(shè)計(jì)與仿真

光學(xué)組合反光鏡的設(shè)計(jì)與仿真

0反光鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化光學(xué)冷反光鏡作為一種額外的光學(xué)元件，得到了廣泛應(yīng)用。隨著光源系統(tǒng)的小型化、高性能的要求,優(yōu)化設(shè)計(jì)反光鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)于提升反光鏡的效率具有重要意義。與傳統(tǒng)曲面反光鏡相比,組合式冷反光鏡系統(tǒng)采用橢球與球面反光鏡雙片式結(jié)構(gòu),球面反光鏡作為橢球反光鏡的輔助光學(xué)器件,有效地提升系統(tǒng)的性能,產(chǎn)品應(yīng)用于各類精密光源系統(tǒng)。筆者分析了組合冷反光鏡的設(shè)計(jì)原理及性能提升水平,對(duì)氙燈光源與組合反光鏡系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析。1面反光鏡光學(xué)原理橢球冷反光鏡光學(xué)原理:將一點(diǎn)光源放置在內(nèi)表面鍍有冷反射光學(xué)薄膜的橢球反光鏡的第一焦點(diǎn)F1上,光源發(fā)出的光線經(jīng)內(nèi)表面反射后會(huì)聚在第二焦點(diǎn)F2處,如圖1所示。利用這一性質(zhì),橢球冷反光鏡可以起到提升光源利用率的作用。橢球冷反光鏡利用光能效率大小取決于包容角α的大小,如圖2所示。出射到包容角以外的光線無(wú)法利用,從而導(dǎo)致光源利用效率的降低。若要增大有效包容角α,就要求不斷加大反光鏡的深度,但這在非球面光學(xué)加工及表面鍍制光學(xué)薄膜上很難實(shí)現(xiàn),同時(shí)限制了光學(xué)系統(tǒng)的效率。球面冷反光鏡光學(xué)原理:將一點(diǎn)光源放置在內(nèi)表面鍍有冷反射光學(xué)薄膜的球面反光鏡的球心處,光源發(fā)出的光線經(jīng)反光鏡內(nèi)表面反射后仍返回球心,如圖3所示。橢球、球面組合冷反光鏡原理:在橢球反光鏡和球面反光鏡光軸重合的情況下,如果令球面反光鏡的球心與橢球反光鏡的第一焦點(diǎn)F1也相互重合,并且在球面反光鏡底部開(kāi)有一定尺寸的通光孔,那么將一點(diǎn)光源放置在F1處,由光源發(fā)出的光線,一部分經(jīng)橢球反光鏡反射后會(huì)聚在F2處,另一部分直接照射在球面反光鏡上。直射到球面反光鏡上的光線經(jīng)反射后穿過(guò)球心(F1)照射在橢球反光鏡上,再經(jīng)過(guò)反射會(huì)聚在F2處。因此,光源不經(jīng)過(guò)橢球冷反光鏡反射的直射光不但能夠避免,而且還可以對(duì)其有效地進(jìn)行利用,起到消除雜散光、提升光學(xué)系統(tǒng)性能的作用。2單片合成系統(tǒng)的仿真分析基于以上的設(shè)計(jì),分別用TracePro軟件對(duì)單片的橢球反光鏡和組合式反光鏡的工作情況進(jìn)行了模擬。參數(shù)如下。橢球反光鏡參數(shù):f1=50mm;f2=300mm;底孔直徑=50mm;外口徑=190mm。球面反光鏡參數(shù):R=110mm;底孔直徑=120mm;外口徑=200mm。在焦點(diǎn)F1處使用10W的點(diǎn)光源,用1000根光線進(jìn)行模擬分析,同時(shí)在F2處使用4mm×5mm光屏接收,仿真效果如圖5、圖6所示,接收屏處輻照度如圖7、圖8所示。由表1可知,與單片橢球反光鏡相比,橢球與球面反光鏡的組合系統(tǒng)可以較大程度地提升原橢球反光鏡光學(xué)系統(tǒng)的光通量。設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的橢球與球面反光鏡的組合,可以不同程度地提升系統(tǒng)的光通量值,提升光源利用效率。3光柵中心位置的優(yōu)化理論上,在橢球反光鏡焦點(diǎn)F1處發(fā)出的光線經(jīng)反射后必會(huì)聚于第二焦點(diǎn)F2。但是由于實(shí)際光源具有一定的發(fā)光體積無(wú)法近似為點(diǎn)光源,所以將不可避免地存在一定的像差。從圖9中可以看出發(fā)光點(diǎn)位于橢球反光鏡焦點(diǎn)F1左側(cè)(A點(diǎn))時(shí),反射光線與光軸的交點(diǎn)在F2右側(cè)(A1);而光源位于焦點(diǎn)右側(cè)(B)時(shí),反射光線與光軸的交點(diǎn)在F2左側(cè)(B1)。以短弧氙燈光源為例,光源的發(fā)光電弧直徑約為1～2mm,并且短弧氙燈的電弧亮度分布很不均勻,如圖10所示,所以在實(shí)際應(yīng)用中,光源的幾何中心位于橢球焦點(diǎn)F1處時(shí),第二焦平面處的光通量未必最大?；谝陨系姆治?本文將以短弧氙燈光源和組合反光鏡為例,對(duì)短弧氙燈光源的位置進(jìn)行優(yōu)化,使第二焦平面處的光通量最大,從而進(jìn)一步提高光源的利用率。利用TracePro建立具有一定發(fā)光體積且符合短弧氙燈發(fā)光亮度分布的光源,并在此基礎(chǔ)上,沿光軸方向調(diào)整光源的位置,得到如表2所示的數(shù)據(jù)(其中負(fù)值表示位于F1左側(cè),正值表示位于F1右側(cè))。仿真參數(shù)如下。橢球反光鏡參數(shù):f1=50mm;f2=300mm;底孔直徑=50mm;外口徑=190mm。球面反光鏡參數(shù):R=110mm;底孔直徑=120mm;外口徑=200mm。使用10000lm、短弧氙燈光源模擬光線追跡,并在F2處使用4mm×5mm光屏接收。從圖11可以看出,在光源位于焦點(diǎn)左側(cè)0.4mm處時(shí),第二焦平面處的光通量最大,而并不是光源位于焦點(diǎn)F1時(shí)。這是由短弧氙燈的發(fā)光特性所決定的,其結(jié)構(gòu)如圖12所示。事實(shí)上,氙燈的整個(gè)電弧的亮度分布是不均勻的:陰極附近的亮度最大,大功率的可以達(dá)到10000cd/mm2,該處稱為陰極斑。這就意味著氙燈的發(fā)光中心與其幾何中心位置并不重合。當(dāng)短弧氙燈光源的幾何中心位于焦點(diǎn)F1處時(shí),其發(fā)光中心則在焦點(diǎn)的右側(cè),所以此時(shí)位于第二焦平面處的接收屏的光通量并不是最大,當(dāng)光源的發(fā)光中心向左移動(dòng)到焦點(diǎn)F1時(shí),此時(shí)接收屏的光通量才達(dá)到最大值,而隨著光源繼續(xù)向左移動(dòng),則接收屏處的光通量又隨之減小。4合成鏡對(duì)比試驗(yàn)相比于橢球反光鏡的光學(xué)系統(tǒng),橢球、球面組合結(jié)構(gòu)提