4. 几何物体与光学属性
在非序列杂散光仿真中，几何物体的创建与光学属性的赋予是构建光机模型的基础。与序列模式中仅依赖表面序号和曲率半径不同，非序列模式要求每个物体都具备完整的实体几何定义（如形状、尺寸、位置、材料）和光学行为定义（如透过率、反射率、散射模型、镀膜特性）。本章将系统讲解Zemax非序列模式下透镜、反射镜、棱镜、光阑等核心物体的创建流程、参数设置逻辑及其在杂散光分析中的关键作用。
上图展示了非序列杂散光仿真中几何物体创建的整体逻辑框架。从中心主模块出发，左侧为几何定义（形状、尺寸、位置、材料），右侧为光学属性（透过、反射、散射、镀膜），下方则细分为透镜、反射镜、棱镜、光阑四大类典型物体。实际工程中，每一类物体都需要同时考虑几何与光学两个维度，且二者相互耦合——例如透镜的曲率半径不仅决定光焦度，还影响表面散射的入射角分布；反射镜的基底材料决定热膨胀系数，进而影响杂散光路径的稳定性。
4.1 核心原理：非序列物体与序列表面的本质差异
在序列模式中，光线按照表面顺序依次传播，每个表面仅定义曲率、厚度和材料；而在非序列模式中，光线在三维空间中与物体发生物理相交，传播路径由物体的实际几何形状和光学属性共同决定。这一差异带来三个关键影响：
- 光线追迹顺序无关性：非序列模式不预设光线传播顺序，光线可能多次穿越同一物体，也可能被物体反射后再次进入其他物体，因此必须为每个物体定义完整的三维边界和表面属性。
- 物体间遮挡关系：非序列模式自动计算物体间的遮挡，例如光阑可能遮挡部分透镜边缘，反射镜支架可能产生额外散射路径，这些在序列模式中需要手动设置虚拟面才能模拟。
- 散射与鬼像路径：非序列模式允许光线在任意表面发生散射（如ABg模型、朗伯散射），散射光线可能再次被其他表面反射或折射，形成鬼像或杂散光，这正是杂散光仿真的核心关注点。
在Zemax非序列模式下，物体类型由Object Type下拉菜单选择，每种类型对应一组特定的几何参数和光学参数。例如，标准透镜（Standard Lens）需要定义前后表面的曲率半径、厚度、半直径以及材料；而矩形体（Rectangular Volume）则需要定义长宽高和材料。理解每种物体类型的参数含义，是创建准确光机模型的前提。
4.2 透镜的创建与参数设置
透镜是非序列系统中应用最广泛的折射元件。在Zemax非序列模式下，透镜的创建通常使用Standard Lens或Even Asphere类型。Standard Lens适用于球面透镜，其关键参数包括：
| 参数名称 | 含义 | 典型值/范围 | 杂散光影响 |
|---|---|---|---|
| Radius 1 / Radius 2 | 前后表面曲率半径（mm） | 正值为球心在出射侧，负值反之 | 曲率影响散射角分布 |
| Thickness | 透镜中心厚度（mm） | 由光焦度和加工工艺决定 | 影响吸收和内部多次反射 |
| Semi-Diameter | 透镜半直径（mm） | 需大于有效通光孔径 | 边缘可能产生衍射或散射 |
| Material | 玻璃材料或自定义材料 | 如N-BK7、Fused Silica | 折射率、吸收系数决定透过率 |
| Coat/Scatter | 表面镀膜和散射模型 | 如AR@532nm、ABg散射 | 决定表面反射率和散射特性 |
对于非球面透镜，需选择Even Asphere类型，并额外输入圆锥系数（Conic）和高阶非球面系数（A2、A4、A6等）。在杂散光仿真中，非球面透镜的散射特性与球面透镜有显著差异，因为非球面表面的局部入射角变化更剧烈，散射分布也更复杂。
Semi-Diameter设置为机械口径而非有效通光口径，并在透镜边缘添加倒角或圆角（通过Edge参数），以模拟实际加工后的边缘状态。未倒角的尖锐边缘在仿真中会产生不真实的衍射效应，导致杂散光水平被高估。4.3 反射镜的创建与参数设置
反射镜在杂散光仿真中扮演双重角色：既可能是光学系统的核心元件（如主镜、次镜），也可能是产生鬼像的潜在散射源。非序列模式下反射镜的创建通常使用Standard Surface类型，并设置反射属性。关键参数包括：
- 曲率半径：平面镜设为Infinity，球面镜设为具体值，离轴抛物面镜需使用
Off-Axis Parabolic Mirror类型并定义离轴量和焦距。 - 反射率与镀膜：通过
Coat/Scatter选项卡设置。金属膜（如铝、银、金）的反射率随波长变化，需使用波长相关的镀膜文件（.coa格式）。 - 基底材料：反射镜基底通常为玻璃或金属，需定义材料以计算热效应和重量，但在纯光学仿真中可设为“Absorb”以忽略基底内部传播。
- 表面粗糙度：通过散射模型模拟。例如，使用ABg模型时，A、B、g参数需根据实测表面粗糙度拟合。
在杂散光分析中，反射镜边缘的散射贡献往往被忽视。实际上，反射镜边缘的加工痕迹、安装倒角、以及镜座与镜面的接触区域，都可能成为杂散光的散射源。因此，建议在反射镜模型中加入边缘倒角（Chamfer）和镜座结构，并在这些表面赋予适当的散射属性。
4.4 棱镜的创建与参数设置
棱镜在非序列模式下的创建相对复杂，因为棱镜通常由多个平面组成，且光线在棱镜内部经历多次全反射或折射。Zemax提供了多种棱镜类型，包括Prism 45、Prism Equilateral、Prism Right Angle等，也可通过Polygon Object自定义任意形状的棱镜。
以常见的直角棱镜（Right Angle Prism）为例，其创建步骤如下：
- 选择
Prism Right Angle类型，输入棱镜的孔径尺寸（Aperture）和材料。 - 设置棱镜的倾斜角（Tilt About X/Y/Z），使其与光路匹配。
- 在
Coat/Scatter选项卡中，为棱镜的入射面、反射面和出射面分别设置不同的镀膜和散射属性。例如，反射面可镀高反膜，入射面和出射面镀增透膜。 - 若棱镜用于分光（如偏振分光棱镜），需使用
PBS类型或自定义多层膜，并设置P偏振和S偏振的不同透过/反射特性。
Face选项卡为每个表面单独指定光学属性。4.5 光阑与挡板的创建及杂散光抑制
光阑在非序列模式下通常使用Annular（环形）或Rectangular Aperture（矩形孔径）类型创建。光阑的作用不仅是限制光束口径，更是抑制杂散光的关键结构。在创建光阑时，需注意以下参数：
| 参数 | 说明 | 杂散光抑制策略 |
|---|---|---|
| Inner Radius / Outer Radius | 环形光阑的内外半径 | 外半径应大于有效光束直径，内半径决定中心遮挡 |
| Blade Thickness | 光阑叶片厚度 | 较厚的叶片可减少边缘衍射，但会增加重量 |
| Edge Angle | 光阑边缘的倒角角度 | 推荐15°~30°倒角，将边缘散射导向非敏感方向 |
| Scatter Model | 光阑表面的散射属性 | 通常使用朗伯散射或ABg模型，粗糙度Ra<0.8μm |
在复杂光机系统中，光阑往往与遮光罩、挡板、螺纹消光结构配合使用。例如，在卡塞格林望远镜中，主镜中心开孔处需设置挡板，防止光线直接穿过中心孔形成杂散光；在折射式系统中，镜筒内壁需加工消光螺纹，并将螺纹表面设置为高吸收率材料。
4.6 实战案例：离轴三反系统杂散光仿真中的物体创建
以某离轴三反（TMA）望远镜为例，其杂散光仿真中涉及的主要物体包括：主镜（离轴抛物面）、次镜（双曲面）、三镜（平面或曲面）、焦面探测器、遮光罩、光阑以及结构挡板。初始现象是：在太阳光以5°离轴角入射时，焦面出现明显的杂散光斑，信号对比度下降。
关键输入数据：
- 主镜：离轴量150mm，焦距1200mm，口径300mm，表面粗糙度Ra=2nm，镀银膜（反射率>97%@500nm）。
- 次镜：双曲面，口径80mm，表面粗糙度Ra=1nm，镀银膜。
- 遮光罩：前段为锥形，内壁涂黑漆（吸收率95%），后段为圆柱形，内壁加工消光螺纹。
- 光阑：位于次镜后方，内径60mm，外径90mm，边缘倒角20°。
- 将遮光罩前段内壁的散射模型从朗伯散射改为ABg模型，并调整B参数以降低大角度散射强度。
- 在主镜边缘添加0.5mm宽的消光环，表面粗糙度设为Ra=3μm，吸收率90%。
- 将次镜支架改为倾斜45°的薄片结构，并在表面涂覆高吸收黑漆。
- 在光阑后方增加一个环形挡板，拦截经主镜边缘衍射后直接射向焦面的光线。
- 忽略物体边缘效应：尖锐边缘在仿真中会产生不真实的衍射，导致杂散光被高估。应始终为透镜、反射镜、光阑添加倒角或圆角。
- 表面属性设置不完整：仅设置透过率或反射率，未设置散射模型，导致散射路径缺失。所有光学表面都应至少设置一个散射模型（即使散射极低）。
- 材料吸收系数错误：对于透镜材料，吸收系数（Absorption Coefficient）直接影响透过率，尤其在红外波段。应使用材料库中的准确数据，而非默认值。
- 光阑与挡板混淆：光阑用于限制光束口径，挡板用于阻断杂散光路径。两者在几何形状和光学属性上应区别对待。
- 未考虑安装结构：镜座、压圈、隔圈等安装结构可能成为散射源，应在仿真模型中适当简化但不可完全忽略。
分析判断过程：首先在Zemax非序列模式下创建上述物体，并赋予相应的光学属性。初始仿真显示，杂散光主要来自两条路径：一是太阳光经遮光罩前段内壁一次散射后直接到达焦面；二是太阳光经主镜边缘衍射后，经次镜支架反射到达焦面。
实际操作步骤：
结果对比：优化后，焦面杂散光辐照度从初始的1.2×10⁻³ W/cm²降至3.5×10⁻⁵ W/cm²，下降约34倍，满足系统指标要求。代价是系统总重量增加约0.8kg，且遮光罩长度增加15mm。
复盘经验：杂散光抑制的关键在于“阻断路径”而非“吸收能量”。在创建物体时，应优先考虑如何通过几何结构（如挡板、光阑、遮光罩）阻断杂散光传播路径，其次才是通过表面处理（如黑漆、消光螺纹）降低散射强度。此外，物体边缘的倒角和圆角处理对抑制衍射杂散光至关重要，不可省略。
4.7 常见误区与总结复盘
在几何物体创建与光学属性设置过程中，以下误区值得特别注意：