光學組合反光鏡的設計與仿真

0反光鏡結構參數優(yōu)化光學冷反光鏡作為一種額外的光學元件，得到了廣泛應用。隨著光源系統(tǒng)的小型化、高性能的要求,優(yōu)化設計反光鏡的結構參數,對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構,球面反光鏡作為橢球反光鏡的輔助光學器件,有效地提升系統(tǒng)的性能,產品應用于各類精密光源系統(tǒng)。筆者分析了組合冷反光鏡的設計原理及性能提升水平,對氙燈光源與組合反光鏡系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析。1面反光鏡光學原理橢球冷反光鏡光學原理:將一點光源放置在內表面鍍有冷反射光學薄膜的橢球反光鏡的第一焦點F1上,光源發(fā)出的光線經內表面反射后會聚在第二焦點F2處,如圖1所示。利用這一性質,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法利用,從而導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,但這在非球面光學加工及表面鍍制光學薄膜上很難實現,同時限制了光學系統(tǒng)的效率。球面冷反光鏡光學原理:將一點光源放置在內表面鍍有冷反射光學薄膜的球面反光鏡的球心處,光源發(fā)出的光線經反光鏡內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F1也相互重合,并且在球面反光鏡底部開有一定尺寸的通光孔,那么將一點光源放置在F1處,由光源發(fā)出的光線,一部分經橢球反光鏡反射后會聚在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反射后穿過球心(F1)照射在橢球反光鏡上,再經過反射會聚在F2處。因此,光源不經過橢球冷反光鏡反射的直射光不但能夠避免,而且還可以對其有效地進行利用,起到消除雜散光、提升光學系統(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計,分別用TracePro軟件對單片的橢球反光鏡和組合式反光鏡的工作情況進行了模擬。參數如下。橢球反光鏡參數:f1=50mm;f2=300mm;底孔直徑=50mm;外口徑=190mm。球面反光鏡參數:R=110mm;底孔直徑=120mm;外口徑=200mm。在焦點F1處使用10W的點光源,用1000根光線進行模擬分析,同時在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系統(tǒng)的光通量。設計不同結構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F1處發(fā)出的光線經反射后必會聚于第二焦點F2。但是由于實際光源具有一定的發(fā)光體積無法近似為點光源,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)光點位于橢球反光鏡焦點F1左側(A點)時,反射光線與光軸的交點在F2右側(A1);而光源位于焦點右側(B)時,反射光線與光軸的交點在F2左側(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,所以在實際應用中,光源的幾何中心位于橢球焦點F1處時,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,對短弧氙燈光源的位置進行優(yōu)化,使第二焦平面處的光通量最大,從而進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,并在此基礎上,沿光軸方向調整光源的位置,得到如表2所示的數據(其中負值表示位于F1左側,正值表示位于F1右側)。仿真參數如下。橢球反光鏡參數:f1=50mm;f2=300mm;底孔直徑=50mm;外口徑=190mm。球面反光鏡參數: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,在光源位于焦點左側0.4mm處時,第二焦平面處的光通量最大,而并不是光源位于焦點F1時。這是由短弧氙燈的發(fā)光特性所決定的,其結構如圖12所示。事實上,氙燈的整個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。當短弧氙燈光源的幾何中心位于焦點F1處時,其發(fā)光中心則在焦點的右側,所以此時位于第二焦平面處的接收屏的光通量并不是最大,當光源的發(fā)光中心向左移動到焦點F1時,此時接收屏的光通量才達到最大值,而隨著光源繼續(xù)向左移動,則接收屏處的光通量又隨之減小。4合成鏡對比試驗相比于橢球反光鏡的光學系統(tǒng),橢球、球面組合結構提