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Zemax光学设计实例（93）--- 一个红外共轴平行光管系统的设计

2021-12-20 11:01| 发布者：Davis| 查看：1393| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了Zemax光学设计的一个红外共轴平行光管系统，包括系统原理、参数计算、设计仿真等内容。该系统采用反射系统，可适用于全波谱段且无像差，并根据系统主反射镜的使用状态可以分为共轴式反射系统和离轴式反射系统两类。文章详细介绍了系统的空间分辨率、焦距、主镜、平面反射镜、分划板等参数的设计方法，并通过Zemax仿真得出了系统的具体结构。

引言：

平行光管是用于光电检测、设备校验的重要设备。大口径、长焦距的平行光管一般采用反射系统，可适用于全波谱段且无像差。

根据系统主反射镜的使用状态可以分为共轴式反射系统和离轴式反射系统两类，共轴系统具有结构紧凑、体积小、调试方便、便携等优点，在众多领域有着广泛的应用。

在牛顿反射式光学系统的基础上，红外平行光管的原理图如下：

红外平行光管由黑体光源、靶标、平面反射镜、抛物面反射镜等部分组成。

光学系统中，在平面反射镜的中部开孔，使光源发出的光线经中部光孔入射至抛物面反射镜上，抛物面反射镜反射的光线经平面反射镜出射。

由于牛顿反射式光学系统的视场较小，可以将平面反射镜固定在转台上，通过转台的转动带动平面反射镜的转动，从而改变光的出射方向，达到扩展测试范围的目的。

靶标（分划板）位于抛物面反射角的焦平面上，因此，当光源照亮靶标后，靶标经过光学系统后，都成一束平行光，这样成像在无限远处。这样，对于观察者来说，靶标（分划板）相当于一个无限远距离的目标。

参数计算：

设红外瞄准镜像元384×280，像元大小35um，视场10°×7.5°，物镜焦距f=75mm，则瞄具的空间分辨率α为

其中，ω为视场，取ω=10°；γ为尼奎斯特常数，取γ=2；N为瞄准镜像元，取N=384。

（1）焦距的确定：

瞄具物镜f=75mm，y为分划板直径，取y=30mm；y`为分划板在瞄具像面所成的像高，由尼奎斯特定律可知，为满足瞄具系统空间分辨率要求取2个像元，即分划板在焦平面上的最小像高应满足2×35=70um，最大像高取CCD的最大尺寸384×35=13440um，则系统的焦距范围为：

综合考虑各个因素，取系统焦距为800mm。

（2）主镜的参数：

主镜采用抛物面反射镜，抛物面反射镜将通过红外分划板入射来的光线反射出去，形成平行光输出，实现光线准直的功能。

设出瞳直径设计为120mm，抛物面反射镜焦距为800mm，则顶点曲率半径为p=2f=1600

主镜F数为

（3）平面反射镜上通光孔径：

在光学系统中，在平面反射镜中部开孔，开孔大小取决于平面反射镜的位置，利用几何关系来确认开孔大小。由于平面反射镜是倾斜45度摆放，为了增大红外辐射通量，需要尽可能减小开口比，可以将开孔设计成椭圆形。

在本设计中，开一个椭圆孔，长轴为72mm，短轴为46mm。

（4）分划板的设计

根据平行光管的不同要求，分划板可以有各种各样的图案，下图是几种常用的分划板图案：

（a）十字的分划板，常用于仪器光轴的校正；

（b）带有角度的十字的分划板，常用于角度的测量；

（c）中心有一小孔的分划板，称为星点板；

（d）一种鉴别率板；

（e）带几组一定间隔线条的分划板，也称为玻罗板，用在测量透镜焦距的平行光管上。

设计仿真：

我们设计的平行光管的准直物镜采用反向的牛顿反射式结构，并且在平面反射镜中部开口。

反射镜材料可以选用铝，表面镀金可以提高反射率。

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Object Space NA”，并根据计算要求输入“0.07493”；

视场为0视场，波长为1.31um。

然后，在LDE中输入参数，如下图：

第一面为抛物面反射镜，在Conic输入-1来定义其抛物面；

第三面为平面反射镜，Coordinate Break的作用是用来安放折叠镜面。

3D Layout，如下图：

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