数字高速分幅相机中光学分幅系统的设计与分析

    1引言

    数字高速分幅相机采用高速电子快门,与传统的转镜式分幅相机L’6」相比,具有更高的时间分辨率和良好的空间分辨率。目前,数字高速分幅相机已经广泛应用于光谱学、光电子学、非线性光学、激光物理学匡、动力学、材料科学一8〕等诸多领域。光学分幅系统是数字高速分幅相机的重要组成部分,对高速相机的性能有重要影响。在光学分幅系统中,要求各个光通路都完整地成像,而且光能分布均匀,通常采用反射棱锥分光的方法。本文介绍了光学分幅系统的基本原理,在光学辅助设计软件ZEMAX困的非序列模式下建立了光学分幅系统的三维立体仿真模型,并且详细地分析了系统的成像质量。

    2 设计原理

    光学分幅系统主要由前物镜组、目镜组、反射镜组及后物镜组构成,如图1所示。其中,反射镜组中的分光棱锥是本光学分幅系统的关键元件。它的4个反射面分别与光轴成45。,能够均匀地将平行光束分成4路。

    从物点发出的光线经过前物镜组后会聚在像面上一点后发散。由于该像点位于目镜组的焦平面上,所以发散光束被转化成平行光束,均匀地照在分光棱锥的4个反射面上。由辅助反射镜改变光束方向后,经过后物镜组成像犷像增强器的光电}})}极表面。

    3三维立体模型

    在ZEMAX的非序列模式下,建立的光学分幅系统匕l‘’」的二维立体仿真模型如图2所示。

    图2中.定义的5个点光源分别经过前物镜组、目镜组、分光棱锥、辅助反射镜组及后物镜组后,被4个圆形表面的探测器接收。其中点光源模拟的是物点,而探测器模拟的是像增强器的光电阴极表面。

    分光棱锥是光学分幅系统的关键元件,如图3所示,由于分光棱锥不是ZEMAX的标准元件,所以在ZEMAX中建立分光棱锥的三维立体模型比较困难。在机械设计软件S()I-IDWORKS中建立分光棱锥的立体模型,再将生成的STIJ格式的文件导人到ZEMAX的非序列模式下,建立了光学分幅系统的完整三维仿真模型。

    4像质分析

    使用美国FocuS公司研制的ZEMAX光学辅助设计软件进行像差平衡并对物高分别为。mm、35.35mm、50mm的三个视场点进行了像质分析。

    4.1点列图

如图4所示,对于各个视场点,其点阵列都位于艾利斑半径内,这说明光学分幅系统的波像差小于1/4波长,其成像质量达到了衍射极限。对于每种频率的光线,其点阵列都呈扇形,这是分光造成的。各视场点的均方根弥散斑半径分别为23.133拼m24.3711,m、24.6382,m。