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ZEMAX光学设计实例(138)---一个Fery棱镜的设计

2021-12-14 14:37| 发布者：optkt| 查看：1120| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了一种基于ZEMAX软件的光学设计实例——Fery棱镜的设计。通过分析Fery棱镜的结构特点和使用罗兰圆原理，设计出能够满足点光源、NA值等要求的成像光谱仪器分光系统。同时，本文还详细介绍了曲面棱镜的优势和Fery棱镜的成像功能，并讨论了像散对Fery棱镜系统的影响。

 
引言：
分光元件是光谱仪器中不可缺少的重要器件，直接决定系统的分光性能。根据光谱测量的方式不同分光方式有棱镜分光、光栅分光、傅里叶变换分光、AOTF分光、LCTF分光等，其中光栅分光与棱镜分光是目前主要使用的分光方式。
光栅分光性能由光栅光谱的级次和光栅的结构参量(光栅常数d和光栅周期N)决定，光栅光谱一般有多级，每级对应一套光谱，相邻级次光谱可能发生重叠现象，工作波段受自由光谱范围的限制。光栅比棱镜容易获得较大的色散而且色散也比较均匀。而棱镜分光只有一套光谱，不存在光谱级次之间的重叠问题，除了因棱镜材料的吸收导致的波段限制外，其自由光谱范围不受限制。同时，由于入射光能充分集中在一套光谱上，因而提高了光谱分析的灵敏度。棱镜材料与工作波段一般这样考虑：在可见光范围使用时，采用玻璃棱镜；在紫外光或红外光范围使用时，采用石英或氯化钠棱镜。但棱镜色散性能与棱镜材料有关，色散具有强烈的非线性。
为了克服传统棱镜作为分光元件色散线性度差等缺点，曲面棱镜应运而生。Fery棱镜作为曲面棱镜的代表，在1911年由CH.Fery提岀，该棱镜除了具有传统棱镜的色散优点外，还有准直和一定的成像功能，而且与传统平面棱镜相比具有色散非线性等优点，与系统结合结构紧凑具有一定像差校正的作用，可大大提高系统成像质量和整体性能。
Fery棱镜是Fery在l91l年基于罗兰圆原理提岀的一种曲面棱镜，该棱镜有两个表面，且都为球面。两个面的球心都落在以凹面半径为直径的圆上，同时该圆与Fery棱镜凹面顶点相切，该圆就是Fery棱镜系统的罗兰圆。Fery棱镜的结构图，如下图所示：
                           
 
同时Fery棱镜两个球面的球心是始终不重合的，凹面与凸面之间有一个夹角，该夹角也是决定Fery棱镜光学性能的重要参数。一般凹面为透射面，凸面为反射面或透射面。
在一个光学系统中，当以平面三角棱镜为色散元件时通常需在平面三角棱镜前方加一个准直元件，准直元件的作用是保证色散前所有入射光的入射角相等，而Fery棱镜在不使用准直元件的情况下也能达到同样的目的(或者说Fery具备准直元件的功能)。
三角棱镜和Fery棱镜准直功能的对比，如下图所示：
 
根据Fery棱镜的结构特点：凹面与凸面都是球面，当凸面镀上反射膜以后，凸面就相当于一个凹面反射镜，Fery棱镜变成一个折反折的三面系统。这样凸面就有了凹面反射镜汇聚成像的作用，对于Fery棱镜而言，凸面之前的部分就起到了色散和改变光路的作用，所以说Fery棱镜具有一定的成像功能，成像光路如图下图所示：
 
Fery棱镜系统是基于罗兰圆原理的成像系统，而且这两个系统在子午方向都失去了对称性，只在弧矢方向保留了对称性，这样的系统属于平面对称系统。对于平面对称系统，各元件间的波面一般存在较大的像散，所以，对于Fery棱镜系统像散是其固有的主要像差。
Fery棱镜具有分光和一定的成像功能，相比与普通棱镜它是集分光和成像于一体的元件，若能将其应用在成像光谱仪器的分光系统中必将大大简化系统的结构，减轻系统质量。
 
设计指标：
设计一个Fery棱镜，光源为点光源，NA为0.1，波长范围0.4um～0.6um，要求成像为一条线，且y方向等高。
 
 
设计仿真：
首先输入系统特性参数，如下：
现在系统中选定单位，如下图：
在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Object Space NA”，并根据设计要求输入“0.1”；
在视场设定对话框中选择“Object Height”，如下图：
在波长设定对话框中，设置0.4um、0.5um、0.6um三个波长，如下图：
将Fery棱镜的初始参数输入到LDE中，如下图：
第1面设置为光阑面（STOP），它为Fery棱镜的第一个球面，材料为SILICA；
第2面为Fery棱镜的第二个球面，它为反射面，材料设为MIRROR；厚度设置为“Pick up”第1面厚度，如下图：
第2面要向下旋转10°，设置如下图：
第3面的Raidus要设置为“Pick up”第1面Radius，设置如下图：
第3面也要向下旋转10°且有偏心，设置如下图：
此时，该Fery棱镜实际变成一个折反折的三面系统。
打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+SpotRadius+Centroid”。设置如下图：
在MFE中，添加三个REAY操作数用于检测各个波长在焦面狭缝处的y值，如下图：
 
将第1面和第2面的Radius和第3面的厚度都设置为变量，如下图：
开始执行优化。
优化后的LDE，如下图：
查看3D Layout，如下图：

查看点列图：

从点列图上看出，不同波长的光在狭缝处变成了略有弯曲的线。
 
现在将第2面设置为超环面Toroidal，并将Radiusof Rotat（旋转半径）设置为变量，如下图：
开始执行1次优化。
再次优化后的LDE，如下图：
再次查看点列图：

此时，不同波长的光在狭缝处变成了直线了。



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