一種離軸拋物面反射式平行光管的設(shè)計

一種離軸拋物面反射式平行光管的設(shè)計

由于非球面幾何圓的無成像特性，使用大規(guī)模光學系統(tǒng)應用于離軸表面的反射光管中心區(qū)域。由于離軸表面反射光管的中心區(qū)域沒有得到保護，因此具有其他形式的平行光管無法比擬的優(yōu)勢。離軸表面反射鏡是該系列光管的主要部件，其加工和檢測難度大。近年來，隨著需求的增加，人們多次提出了改進加工方法和檢驗精度的方法，但將離軸表面反射鏡作為對比光管的一部分，并從該平行光管的總結(jié)構(gòu)來看，討論了該結(jié)構(gòu)的施工方法。特別是對軸拋物面鏡的加工、加工難度和加工成本與軸的數(shù)量和口徑密切相關(guān)。平行光管是一種封閉的、消去光的封閉式結(jié)構(gòu)。主鏡是離軸表面的反射鏡。距離（6505）mm，有效光斑為100mm，波面變形p（pearkia）值小于（=0.6328m）。為了避免變形，使用了一種無就業(yè)固定的固定方法。第二個鏡子是一個小平面反射鏡。為了確保（光源100）mm的離射，v值小于/6，離軸表面和平面反射鏡層的振幅范圍為0.412m。1射線離軸拋物面的偏移位置及焦距的確定根據(jù)以上指標要求,在滿足加工精度和保證有效通光口徑的前提下,需要根據(jù)指標的光源離焦要求來綜合考慮離軸拋物面鏡的離軸量、小平面反射鏡的尺寸和位置,以確定平行光管各個部件的結(jié)構(gòu)尺寸,從而為設(shè)計平行光管的整體外型結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ).為便于計算,作出平行光管內(nèi)相應的光路圖,如圖1所示.圖1中,《為離軸拋物面鏡的口徑;f為離軸拋物面鏡的焦距;h為離軸量;S為焦點位置,S1為點光源的向后移動位置,與之鏡面對稱相應為S′和S′1;α,α1和α2分別為離軸拋物面鏡中心軸線、下邊緣和上邊緣光線與頂點中心軸線的夾角(與此對應,點光源向后移動時邊緣光線對應的夾角為α′1和α′2);B,C點則分別為離軸拋物面鏡上、下邊緣光線與平面反射鏡所在位置的交點(與此對應,點光源向后移動時的邊緣光線對應位置為B′,C′);β1和β2為點光源S和平面反射鏡邊緣的夾角,相應的向后離焦位置S1對應的夾角為β′1和β′2(在圖中未直接給出).由于光源點S的前后移動,使得離軸拋物面鏡反射后的邊緣光線相應偏轉(zhuǎn),造成小反射鏡擋光.由反射定理可知,光源點S向前移動時,反射光束向中間壓縮,無需考慮光線被平面鏡擋住;而光源點S向后移動到S1時,反射光束向邊緣發(fā)散,上邊緣光線相應向上偏移β′2-β2,下邊緣光線相應向下偏移β′1-β1,此時的下邊緣光線有可能被平面反射鏡遮擋住.按照光源點S向后移動距離為d時的下邊緣光線向下偏移β′1-β1計算,應該滿足:光源點未離焦時的離軸拋物面反射鏡下邊緣光線距平面鏡上邊緣B′的距離lEB′應大于光源點離焦后下邊緣光線在該位置處的偏移距離lEA,即lEA≤lEB′?(f?lOS′cosα?lOB′//)?tan(β1?β′1)≤h?《/2?(lOB′⊥+lOD)?(1)lEA≤lEB′?(f-lΟS′cosα-lΟB//′)?tan(β1-β1′)≤h-《/2-(lΟB⊥′+lΟD)?(1)式中:lOB′⊥=lOB′sin(45°+α/2),lOB′∥=lOB′·cos(45°+α/2),分別為OB′的垂直分量和水平分量;lOD=lOS′sinα.考慮到作為平行光管用途的離軸拋物面鏡的焦距一般都比較長,根據(jù)圖1有:α=arctan(h/f),α1=arctan[(h?《/2)/f],α2=arctan[(h+《/2)/f];α′1=arctan[(h?《/2+dsinα)/(f+dcosα)],α′2=arctan[(h+《/2+dsinα)/(f+dcosα)];β1=α?α1,β′1=α?α′1?β1?β′1=α′1?α1,β2=α2?α,β′2=α′2?α?β2?β′2=α2?α′2.α=arctan(h/f),α1=arctan[(h-《/2)/f],α2=arctan[(h+《/2)/f];α1′=arctan[(h-《/2+dsinα)/(f+dcosα)],α2′=arctan[(h+《/2+dsinα)/(f+dcosα)];β1=α-α1,β1′=α-α1′?β1-β1′=α1′-α1,β2=α2-α,β2′=α2′-α?β2-β2′=α2-α2′.由β′1=α-α′1和β′2=α′2-α可得M=β′1/β′2.計算得知:任何情況下M均大于1,即β′1>β′2,即lOB′始終大于lOC′,所以當計算平面反射鏡尺寸時,只需考慮lOB′的大小就可近似確定平面反射鏡的鏡面尺寸.在ΔODS′中,∠DOC=(90°-α)/2.在ΔOB′S′1中運用正弦定理,有l(wèi)OB′=sin(α′2?α)lOS′1/sin(45°+α/2?α′2),lΟB′=sin(α2′-α)lΟS1′/sin(45°+α/2-α2′),式中l(wèi)OS′1=lOS′+d.將lOS′,lOB′∥,lOB′⊥以lOB′代入式(1),化簡得lOB′≤[h?《/2+dsinα?(f+dcosα)?tan(α′1?α1)]/[ξsinα+sin(45°+α/2)?tan(α′1?α1)ξcosα+cos(45°+α/2)],(2)lΟB′≤[h-《/2+dsinα-(f+dcosα)?tan(α1′-α1)]/[ξsinα+sin(45°+α/2)-tan(α1′-α1)ξcosα+cos(45°+α/2)],(2)式中ξ=sin(45°+α/2-α′2)/sin(α′2-α).根據(jù)式(2),圖2和圖3給出了在離軸拋物面鏡面口徑《分別為100mm和110mm,光源位移d分別為100mm和60mm,f=650mm時,鏡面尺寸lOB′以及光源距平面鏡中心距離lOS分別與離軸量h的關(guān)系.從圖中可以看出,平面反射鏡的尺寸lOB′以及光源距平面鏡中心距離lOS均隨離軸量h的增加而加大,拋物面鏡的口徑尺寸以及光源離焦程度的改變均對二者影響不大,變化不顯著.這表明:離軸量增大,平面反射鏡的可容許最大尺寸也增大,同時平面鏡的極限位置(即剛好與下邊緣光線相切)也隨之加大,可調(diào)節(jié)的位置范圍也越大.圖4和圖5給出了在離軸拋物面鏡面口徑《=110mm,f=650mm,h分別為100mm和90mm時,平面反射鏡的尺寸lOB′以及兩鏡中心距D(f+dcosα)與光源離焦程度d的關(guān)系.可以看出,隨著離焦量d的增加,所需的平面鏡尺寸?也在增大,因此兩鏡之間的距離也隨之增大,平面鏡可調(diào)節(jié)的范圍也就越小.2平面反射鏡參數(shù)根據(jù)以上計算,在滿足用戶的使用指標要求的情況下,根據(jù)現(xiàn)有的加工條件,確定了一組合適的平行光管結(jié)構(gòu)參