ZEMAX光学设计实例（5）---斐索干涉仪的传播球

导论：

“透镜分裂”方法的实际应用：斐索干涉仪的传播球（Transmission spheres in Fizeau interferometry）。

设计一个出瞳直径4’’，f/7.8 的传播球，视场角0度，材料为BK7玻璃，其折射率为1.5168，工作波长0.6328微米。各镜片厚度均为0.5’’，间隔为0.2’’。用多个镜片（通过透镜分裂）达到衍射极限性能，即点列图必须在艾里斑里面。

要求如下：

a.使用SPHA操作数优化轴上球差；

b.在球差降低后，用N解优化最后一面的半径；

c.用RAID操作数监视最后一面的入射角度；

（参考《透镜设计导论》第九章课后习题）

设计流程：

按照透镜分裂成三个透镜设计

出瞳直径为4’’=101.6mm，f/7.8，则得焦距为792.48mm。

在轴上，波长0.6328um，使用BK7玻璃，透镜厚度为0.5’’=12.7mm；透镜间距为0.5’’=5.08mm。

用薄透镜光焦度公式，计算初始曲率半径。

R1=2*（n-1）/φ_i=2*（1.5168-1）/(1/792.48/3)=2457.32=-R2=R3=-R4=R5=-R6

将以上的各个参数输入到ZEMAX的LDE中，如下图：

评价函数设置：EFFL，目标值792.48mm，权重30；SPHA，目标值为0，权重1。半径都设为变量。这种优化设置结果，在指定厚度下尽量满足EFL要求，并弯曲透镜最小化球差。

另，增加3个RAID操作数，Px分别设置为-1，0和1，用来监视最后一面（即IMA面）的入射角度。如下图所示。

优化结果如下图：

此时，EFL=792.480605mm，光瞳球差W₀₄₀=0.2653λ。

从上图可以看出，光斑在艾里斑里面，达到了衍射极限。

选择第6面的曲率半径，选择N解（即Marginal RayNormal，N解可以使光线从最后面的法线方向射出），如下图所示。

再重新优化一次

此时，EFL=792.480702mm，光瞳球差W₀₄₀=0.2856λ。

再次查看点列图，光斑在艾里斑里面，达到了衍射极限。

打开MFE，查看RAID的值，在Px=-1，0和1的值分别是3.675度，0度和3.675度。（注意，该值是角度，不是弧度）

查看Ray Fan和OPD Fan，如下图。

补充资料：斐索干涉仪（Fizeau interferometry）

斐索干涉仪是评价像质的一种标准工具。

下图是斐索干涉仪的基本构造。

激光源分别经过显微物镜和小洞，这个小洞位于准直透镜的焦点处。在小洞和透镜之间是一个分光镜（Beam-splitter）。准直光束接着射到小楔角的玻璃板，这是干涉仪的关键元件。在靠近准直物镜的那一面很平整，第二个面特别平整，PV（peak to valley）值为λ/20或更好，这一面为参考面，反射部分准直光，剩余的准直光接着照射待测光学面，反射回来的光包含了待测光学系统的缺陷信息，这两束光就在干涉仪内重合。分光镜把干涉光射到接收面（胶卷或CCD），观测人员可以通过中间透镜，观察到清晰的干涉条纹。

例如，待测目标是一个玻璃面，假设待测面有一个凹陷，如下图所示。从干涉仪出来的平面波入射到待测面，然后反射回干涉仪。注意，反射区域中待测面的波面误差加倍了。此缺陷波面与反射波发生干涉后，在接收面成像。

下图是干涉条纹的例子，每个条纹就像地图中的等高线，而参考面高度是以波长衡量的，每个条纹的高度差是一个波长。

下图是用于检测透镜的装置。

其中用到了传播球，这是一种特别正光焦度的透镜，光线从最后一面（参考面）法线方向射出，。待测透镜对准检测光束，其焦点与传播球的焦点重合。从待测透镜射出的准直光线，还需要一个参考平面将光线反射回来。（有多种F数的传播球，其要求与待测透镜相匹配或过度匹配）