抛物面离轴反射单星模拟器Zemax设计

王野 | 320科技工作室 | ZEMAX光学设计

一、光学系统设计指标与结构

本系统为大口径单星模拟器抛物面离轴反射光学系统，口径Φ500mm、焦距5000mm、F数10、视场0.01°、光谱450~850nm，波像差目标≤1/25λ。采用抛物面主镜+平面次镜折返结构，从三级像差理论推导初始结构参数（R₀、e²、遮挡比α、次镜放大率β），再通过Coordinate Break离轴转换与多变量优化。主镜离轴量为-300mm，将主次镜倾斜设为优化变量直至满足设计指标。

图1 Zemax优化后离轴反射光学系统二维布局（抛物面主镜+平面次镜折返，Coordinate Break离轴-300mm）

二、像质评价——点列图与点扩散函数

点列图显示，全视场最大RMS半径仅2.604μm，远小于Airy斑半径7.677μm。各视场散斑石径随视场角增大而增大，0°中心视场散斑石始终小于其他视场。结合点扩散函数PSF与辐射能量分布图，PSF描述了单星光源经光学系统传播后的空间分布模式，能量中心主要受衍射情况影响，表明光学系统能量集中性能良好。

图2 全视场点列图（RMS半径≤2.604μm，远小于Airy斑半径7.677μm）

图3 点扩散函数PSF——描述单星光源经光学系统传播后的空间分布

图4 辐射能量分布图——能量中心主要受衍射情况影响

三、能量集中、场曲与MTF综合评价

几何能量集中曲线显示，直径20μm区域内各视场能量集中度均大于85%，满足使用要求。场曲极小可忽略，畸变远小于0.002%，不影响实际测量。MTF曲线显示各视场光学传递函数集中平滑，逼近衍射极限。波像差全视场不超过0.0324λ，优于1/25λ设计目标。公差分析以MTF为评价标准，前六敏感参数均为装调参数（平面镜M1与抛物面镜M2间距L、M1的X/Y倾斜、M2的X倾斜），1000次蒙特卡洛分析显示98%系统MTF>0.6966，公差分配合理可工程实现。

图5 几何能量集中曲线（直径20μm区域内各视场能量集中度均大于85%）

图6 场曲与畸变曲线（场曲极小可忽略，畸变远小于0.002%）

图7 MTF曲线（各视场光学传递函数集中平滑，逼近衍射极限）

四、我们提供的服务

① ZEMAX光学系统设计（成像/非成像、折返、离轴反射）——从初始结构推导到多变量优化，含Coordinate Break离轴转换与光阑定义。 ② 像质评价全流程（点列图/能量集中/MTF/场曲畸变/波像差/围视能量分布/PSF）。 ③ 公差敏感性分析与蒙特卡洛评估（MTF为标准）。 ④ 离轴反射系统杂散光抑制（光阑+内壁发黑处理）。 ⑤ 大口径光学装配与四维干涉仪实测验证。

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