离轴抛物面反射镜因其独特的光学特性，在许多光学系统中被广泛应用。与传统的轴向抛物面镜相比，离轴抛物面镜能够有效避免光束在传输过程中受到遮挡，从而提高光学系统的性能。使用Zemax OpticStudio，用户可以方便地建模离轴抛物面镜，本文将详细介绍建模的步骤和注意事项，帮助您掌握这一技术。
一、离轴抛物面镜设计参数
在开始建模之前，首先需要明确离轴抛物面镜的设计参数。以下是本教程中所使用的离轴抛物面镜的规格：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 离轴距离 | 150 mm |
| 焦距 | 1000 mm |
| 元件物理直径 | 203 mm |
| 反射镜背面基底垂直于光轴 | 是 |
这些参数将指导我们在OpticStudio中进行几何结构的设置。
二、输入基础几何结构
1. **系统设置**
在系统资源管理器中进行以下设置：
- 设置系统孔径 (Aperture)：
- 孔径类型 (Aperture Type)：入瞳直径 (Entrance Pupil Diameter)
- 孔径值 (Aperture Value)：100 mm
- 设置单位 (Units)：
- 镜头单位 (Lens Units)：毫米 (Millimeters)
- 设置波长 (Wavelengths)：
- 波长1 (Wavelength 1)：0.550 µm
2. **定义几何结构**
在镜头数据编辑器中，按照以下步骤添加表面并输入参数：
- 在光阑面后添加一个表面。
- 在表面1-3上输入以下参数：
| 表面 | 参数 | 值 |
|---|---|---|
| 1 | 曲率半径 | -2000 mm |
| 1 | 圆锥系数 | -1 |
| 1 | 不绘制 | 是 |
| 1 | 厚度 | 40 mm |
这里需要注意的是，抛物线的圆锥系数为-1，曲率半径为-2000 mm，因为焦距是曲率半径的一半。
3. **设置反射基底**
为了使反射基底平坦且与光轴正交，设置表面属性如下：
- 选择“镜面基底厚度 (Mirror Substrate Thickness)”为40 mm。
4. **打开3D布局图**
使用以下设置打开3D布局图：
| 设置 | 值 |
|---|---|
| 3D布局设置 | 3D Layout 2 |
三、增加离轴距离
1. **设置偏心**
在表面2的表面属性的倾斜/偏心选项中，设置Y偏心为-150 mm。
| 表面 | Y偏心 | 值 |
|---|---|---|
| 2 | Y偏心 | -150 mm |
根据制造商的规格，离轴距离为150 mm，镜子的物理直径为203 mm。在表面属性菜单的孔径选项中指定正确的孔径大小和位置。
2. **调整光线趋势**
打开3D布局图后，注意光线的趋势是远离坐标系的。为了使像面居中并与主光线正交，需要在像面前插入一个坐标间断面，并将主光线求解放置在Y偏心和X倾斜的参数上。OpticStudio会自动计算使主光线在正入射情况下击中该表面中心所需的偏心和倾斜数值。
| 设置 | 值 |
|---|---|
| 主光线求解参数 | Y偏心和X倾斜 |
3. **刷新3D布局图**
在完成上述设置后，刷新3D布局图以查看最终效果。
四、最终效果与验证
在完成所有设置后，您可以通过OpticStudio的视图功能检查离轴抛物面镜的光学性能。确保光线从光源出发，经过离轴抛物面反射镜后，能够准确地聚焦到像面上。您可以使用光线追迹功能来验证设计的有效性，并查看光线的传播路径。
五、总结
通过上述步骤，您已经成功在Zemax OpticStudio中建模了离轴抛物面镜。掌握这一建模过程不仅能够帮助您设计出更高效的光学系统，还能为后续的光学分析提供基础。离轴抛物面镜的建模技术适用于多种光学应用，理解其设计原理和实现步骤，将为您的光学设计工作带来极大的便利。如果在建模过程中遇到任何问题，建议参考OpticStudio的帮助文档或寻求技术支持。
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