离轴抛物面反射镜

摘要：离轴抛物面反射镜（Off-axis Parabolic Mirrors，简称OAP，也可叫OAP反射镜），是一种表面反射镜，其不仅能使光路方向偏转，还可以实现光束收集、准直和聚焦。其反射表面是从母抛物面中截取的一部分。它利用离轴设计，可以聚焦平行光束或准直点光

离轴抛物面反射镜（Off-axis Parabolic Mirrors，简称OAP，也可叫OAP反射镜），是一种表面反射镜，其不仅能使光路方向偏转，还可以实现光束收集、准直和聚焦。其反射表面是从母抛物面中截取的一部分。它利用离轴设计，可以聚焦平行光束或准直点光源，避免了球差、色差，且不会引入相位延迟和吸收损耗。

表面外观

该反射镜常考虑的参数有：基底，尺寸，通光孔径，镀膜层，工作波长，反射焦距，反射率，离轴角，表面光洁度、平整度、粗糙度等等。光束直径、成本、空间限制和应用性能要求都会影响选择。

抛物面反射镜的基底材料一般为金属铝，采用超精密数控加工车床将部分镜面切割独立加工出来，因此离轴反射镜都是利用反射的原理工作，可以消除透射光学元件的位相延迟和吸收损耗。离轴镜的表面粗糙度对其性能有着重要影响，通常具有

介质膜对角度相对敏感，而反射镜表面镀的金属膜对角度和偏振相对不敏感。金属膜的工作范围特别宽，但不同金属膜的工作波长不同。例如，银膜在可见光和近红外波段具有较高的反射率，而金膜则在更长波长的红外波段表现更好。因此被作为重要的选择因素。镀膜选项通常包括铝膜、金膜、银膜以及UV增强铝膜等，由于金属膜在高湿度环境中很容易被氧化变色或脱落，所以会在其表面镀有一层二氧化硅保护膜防氧化，用于隔绝金属膜与空气直接接触，可以根据具体的应用需求进行选择。

另一方面在选择离轴抛物面反射镜时必须要考虑的参数是焦距，有反射焦距和抛物线焦距两种，通常反射焦距是抛物线焦距的两倍，焦距影响系统的分辨能力、成像效果，以及整体长度。

离轴抛物面反射镜底部可做螺纹安装孔和定位孔，方便安装使用。

主要特点

焦点分离：离轴抛物面反射镜的设计特点在于焦点与光轴不在同一直线上，因此焦点被分离到光轴之外，从而避免了传统抛物面镜中可能出现的遮挡问题，提高了系统的紧凑性和灵活性。

无色差聚焦：离轴抛物面反射镜能够无色差地聚焦准直光束或准直发散光源。具有无色差和球差的独特性能，且不会引入相位延迟和吸收损耗，成对配合使用时可形成光路分支，并将焦点从光路中分离。

高精度：离轴抛物面反射镜的表面精度可以达到很高的水平，如λ/4、λ/8、λ/10或λ/20等，确保了光束的高质量聚焦和准直。

聚焦准直光：抛物面反射镜将入射准直光束中的所有光线聚焦到衍射极限点。而凹球面反射镜将入射准直光聚集到大于衍射极限光斑的体积内。

准直来自点光源的光：当高度发散的光源置于抛物面反射镜的焦点处时，输出光束将高度准直。当点源置于球面反射镜的焦距内时，输出光束的准直度不如抛物面反射镜。来自点光源的不同光线经过球面反射镜反射后并不是完全平行。

工作原理

基底具有长边和短边，且反射表面倾斜，调整像面倾斜角度可以提高成像质量。当平行于抛物面中轴的光线入射到离轴抛物面反射镜上时，光线会被反射并会聚于焦点，也能够把点光源准直为平行光。由于抛物面的特殊形状，经过反射镜表面反射后的光线能够保持平行于原始入射光线的方向性，从而实现无像差的聚焦。入射光线绕表面法线对称反射，反射光线将通过焦点，靠近反射镜长边和短边的位置来分别追踪两条光线，可以估计焦点的位置。需要注意的是：保持入射光束与光轴平行很重要，任何角度的位移都会产生彗形像差。

在使用抛物面反射镜时，根据抛物线几何性质，|BC|=|BF|，|AD|=|AF|，所以平行于抛物线轴线的光被抛物面反射镜反射后都会聚焦到焦点F，没有球差。其中∠BFA为抛物面反射镜的离轴角，即反射镜的光轴与焦轴间的角度，一般来说离轴角设计为90°或更小角度。

如果点光源放在抛物面的焦点处，会阻挡一部分入射光线，所以仅使用抛物面镜的一部分，让光束离轴入射。

聚焦光束和准直光束之间的夹角称为离轴角，截取母抛物面的不同区间可以获得不同离轴角的离轴抛物面反射镜。离轴角取决于母抛物面截面的选取以及母抛物面的宽度。选取截面的位置还可控制焦距：选择离焦点更近的抛物面截面会使反射镜中心和焦点之间的距离更短。母抛物面的宽度也影响焦距：抛物面越宽，焦距越长。

在离轴抛物面反射镜的基础上加以设计可以得到反射式准直器，不需要调节就能准直不同波长的光，常用于准直宽谱光源系统、红外光束准直/耦合系统以及多色光耦合系统。

成对使用的好处

旋转光束成像：当两个光束都不准直时，不建议在有限的成像应用中使用单个OAP反射镜，但成对OAP反射镜非常适合此应用。

成对OAP配置有助于调整反射镜之间的距离。准直的光路分支还便于在光束中插入滤光片和其他光学元件。而且，通过调节两个反射镜之间的距离，可使焦点在源平面或目标平面上移动，而不会影响系统的光路对准。

对光纤网络中光束的使用：成对OAP反射镜可用于在光纤系统中创建自由空间光路分支，这是利用光束的一种方法。当需要将滤光片或其他大体积光学元件插入光路时，此配置非常有用。可以调整自由空间分支的长度，且不会影响光路对准。

使用和应用

反射镜的反射轮廓是母抛物面上的一部分，但不针对焦点对称。因此，OAP反射镜不是旋转对称的。所以，安装使用过程中请不要旋转。由于该反射面取自远离焦点的母抛物面上的一段截面，当OAP反射镜旋转时，其焦点的位置也会旋转。这可能会对光学系统的性能产生负面影响，因此固定反射镜时，需使反射面不能绕其光轴旋转。使用OAP反射镜准直点光源时，放置在输出光束中的剪切干涉仪可简化对准过程。