如何设计折反混合全景探测系统

上图所示为系统最终设计结果的实体模型图。可以看到系统主要由两个子部分组成：前组两片反射镜组成的反射系统用来收集广角光线，后组三片透镜组成的折射（透射）系统用来把收集到的光线汇聚成像。为了简化设计流程，我们将分别完成两个子系统的设计。

系统设计： 反射系统

如上一节布局图所示，反射系统主要由两片反射镜组成，其中一片为平面，另一片为曲面（平面反射镜的曲率在优化过程中会被改变）。从物理空间上来看，平面反射镜放置在曲面镜的左侧，但是在光线追迹中光线首先会入射曲面上。从第一个反射镜反射后，光线才会入射到平面反射镜上并发生反射。经过二次反射的光线与原光线的大方向相同，并穿过曲面镜中间定义的圆孔。上文给出的实体模型图中使用箭头标记了光线的传播方向。

OpticStudio可以非常方便的对上述系统进行建模。在输入其他参数前我们需要首先设置三个系统参数：孔径、视场和波长。在“孔径 (Aperture)”选项卡下，孔径类型应设置为“入瞳直径 (Entrance Pupil Diameter)”并根据设计指标设置为0.25mm。在“视场 (Field)”选项卡中，竖直方向上-15°到53°的视场范围在本模型中应分别设置为105°和37°。这是因为在OpticStudio中，视场角的定义都是参考于光轴的（Z轴）。如果系统是在光轴的竖直方向上建模的，则视场角需要进行相应的调整。为了保证视场采样充分，本系统还设置了60°和85°的中间视场。最后，由于系统在可见光的光谱范围内工作，因此设置系统工作波长为F, d, C光。

下一步设计步骤就是决定第一面反射镜的曲率以及第一、二面反射镜的间距。需要注意的是，平面反射镜的曲率半径为无穷大，并且不提供任何光焦度。平面反射镜的作用主要用来改变入射光方向。但是系统中任何弯曲的表面都会引入光焦度。第一片弯曲的镜面在改变光方向的同时会引入一定光焦度。

对于本系统来说镜面的曲率和两镜面的间隔并不唯一。所有结构参数可由单透镜公式 (Lensmaker`s Equation) 和球面镜光焦度的近似公式求解得到。其中单透镜公式如下所示：

其中n和n`为光线与界面交点前后的介质折射率，f`为表面的焦距，z和z`为物距和像距。球面精度光焦度可由下式近似表示：

由于两组公式的解有无穷多个，因此我们假设镜面的曲率半径为21.5mm，其中镜面的中间有一个直径为4mm的圆形通孔。我们将该元件放置在平面反射镜右侧18.5mm处。此外，我们需要在起始面前添加一个虚拟面来完整显示光线进入整个系统。

通过在曲面镜（表面2）上定义一个半径为2mm的“光阑 (Aperture)”来定义曲面中间的通孔。您可以参考示例文件中Mirror System.ZAR文件的相关设置。