光学组合反光镜的设计与仿真.docx

光学组合反光镜的设计与仿真 0 反光镜结构参数优化 光学冷反光镜作为一种额外的光学元件，得到了广泛应用。随着光源系统的小型化、高性能的要求, 优化设计反光镜的结构参数, 对于提升反光镜的效率具有重要意义。与传统曲面反光镜相比, 组合式冷反光镜系统采用椭球与球面反光镜双片式结构, 球面反光镜作为椭球反光镜的辅助光学器件, 有效地提升系统的性能, 产品应用于各类精密光源系统。笔者分析了组合冷反光镜的设计原理及性能提升水平, 对氙灯光源与组合反光镜系统进行了优化分析。 1 面反光镜光学原理 椭球冷反光镜光学原理:将一点光源放置在内表面镀有冷反射光学薄膜的椭球反光镜的第一焦点F1上, 光源发出的光线经内表面反射后会聚在第二焦点F2处, 如图1所示。利用这一性质, 椭球冷反光镜可以起到提升光源利用率的作用。椭球冷反光镜利用光能效率大小取决于包容角α的大小, 如图2所示。出射到包容角以外的光线无法利用, 从而导致光源利用效率的降低。 若要增大有效包容角α, 就要求不断加大反光镜的深度, 但这在非球面光学加工及表面镀制光学薄膜上很难实现, 同时限制了光学系统的效率。 球面冷反光镜光学原理:将一点光源放置在内表面镀有冷反射光学薄膜的球面反光镜的球心处, 光源发出的光线经反光镜内表面反射后仍返回球心, 如图3所示。 椭球、球面组合冷反光镜原理:在椭球反光镜和球面反光镜光轴重合的情况下, 如果令球面反光镜的球心与椭球反光镜的第一焦点F1也相互重合, 并且在球面反光镜底部开有一定尺寸的通光孔, 那么将一点光源放置在F1处, 由光源发出的光线, 一部分经椭球反光镜反射后会聚在F2处, 另一部分直接照射在球面反光镜上。直射到球面反光镜上的光线经反射后穿过球心 (F1) 照射在椭球反光镜上, 再经过反射会聚在F2处。因此, 光源不经过椭球冷反光镜反射的直射光不但能够避免, 而且还可以对其有效地进行利用, 起到消除杂散光、提升光学系统性能的作用。 2 单片合成系统的仿真分析 基于以上的设计, 分别用TracePro软件对单片的椭球反光镜和组合式反光镜的工作情况进行了模拟。 参数如下。椭球反光镜参数:f1=50 mm;f2=300 mm;底孔直径=50 mm;外口径=190 mm。球面反光镜参数:R=110 mm;底孔直径=120 mm;外口径=200 mm。在焦点F1处使用10 W的点光源, 用1 000根光线进行模拟分析, 同时在F2处使用4 mm×5 mm光屏接收, 仿真效果如图5、图6所示, 接收屏处辐照度如图7、图8所示。 由表1可知, 与单片椭球反光镜相比, 椭球与球面反光镜的组合系统可以较大程度地提升原椭球反光镜光学系统的光通量。设计不同结构的椭球与球面反光镜的组合, 可以不同程度地提升系统的光通量值, 提升光源利用效率。 3 光栅中心位置的优化 理论上, 在椭球反光镜焦点F1处发出的光线经反射后必会聚于第二焦点F2。但是由于实际光源具有一定的发光体积无法近似为点光源, 所以将不可避免地存在一定的像差。 从图9中可以看出发光点位于椭球反光镜焦点F1左侧 (A点) 时, 反射光线与光轴的交点在F2右侧 (A1) ;而光源位于焦点右侧 (B) 时, 反射光线与光轴的交点在F2左侧 (B1) 。 以短弧氙灯光源为例, 光源的发光电弧直径约为1～2 mm, 并且短弧氙灯的电弧亮度分布很不均匀, 如图10所示, 所以在实际应用中, 光源的几何中心位于椭球焦点F1处时, 第二焦平面处的光通量未必最大。 基于以上的分析, 本文将以短弧氙灯光源和组合反光镜为例, 对短弧氙灯光源的位置进行优化, 使第二焦平面处的光通量最大, 从而进一步提高光源的利用率。 利用TracePro建立具有一定发光体积且符合短弧氙灯发光亮度分布的光源, 并在此基础上, 沿光轴方向调整光源的位置, 得到如表2所示的数据 (其中负值表示位于F1左侧, 正值表示位于F1右侧) 。 仿真参数如下。椭球反光镜参数:f1=50 mm;f2=300 mm;底孔直径=50 mm;外口径=190 mm。球面反光镜参数:R=110 mm;底孔直径=120 mm;外口径=200 mm。使用10 000 lm、短弧氙灯光源模拟光线追迹, 并在F2处使用4 mm×5 mm光屏接收。 从图11可以看出, 在光源位于焦点左侧0.4 mm处时, 第二焦平面处的光通量最大, 而并不是光源位于焦点F1时。这是由短弧氙灯的发光特性所决定的, 其结构如图12所示。事实上, 氙灯的整个电弧的亮度分布是不均匀的:阴极附近的亮度最大, 大功率的可以达到10 000 cd/mm2, 该处称为阴极斑。这就意味着氙灯的发光中心与其几何中心位置并不重合。 当短弧氙灯光源的几何中心位于焦点F1处时, 其发光中心则在焦点的右侧, 所以此时位