CN102494632A - 一种定日镜面型误差检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种定日镜面型误差检测装置,其上位计算机控制系统与激光扫平仪、激光探测装置及手持操控仪通过Zigbee无线通讯模块交互信息。激光扫平仪安装在待测定日镜的中心位置,激光探测装置放置在定日镜的某一待测点,上位计算机控制系统控制激光扫平仪的激光束水平旋转并射向激光探测装置,激光探测装置检测激光光斑到待测点的距离。本发明检测定日镜面形误差的方法利用旋转激光束可以形成一个平面的特点,并以此平面为基准面调整定日镜面形。计算机根据激光探测装置检测激光光斑到待测点的距离,计算出该待测点与理论曲面在高度方向的差值并送到手持操控仪的显示屏,用户便可据此调整定日镜面形,使待测定日镜的各待测点与理论曲面在高度方向差值相等。
Description
技术领域
本发明涉及一种定日镜面型误差检测装置及检测方法,特别涉及基于激光定位及探测的定日镜面型误差检测装置及检测方法。
背景技术
定日镜是一种通过双轴跟踪太阳并将其辐射聚集到位于中心塔上的吸热器上的能量聚集装置,是塔式太阳能热发电站中的最主要的部件,占电站总成本的一半以上。绝大部分的定日镜是由多面子镜所构成。实际安装中,子镜的角度误差最终会影响到定日镜的整体面形,从而影响到反射到吸热器上的光斑形状。子镜的精确安装可以使反射到吸热器上的太能辐射最大化,提高整个定日镜场的运行效率。另外,因为定日镜场由成百上千块定日镜构成,因此需要一种可以快速测量的方法对定日镜的面形误差进行检验,安装人员根据检测结果调整定日镜子镜的角度,从而使定日镜整体面形达到比较理想的曲面面形。
现有的定日镜面形误差检测调整主要有直接观测法、人工光源测量法及全站仪测量法。在实际检测的过程中,发明人发现现有的检测技术存在以下问题:
直接观测法,在早期对定日镜面形检测过程中,通常是直接观察定日镜反射到吸热器附近白靶上的焦斑形状及位置来调节各子镜的角度,从而使得焦斑达到靶的中心位置。虽然此方法可直观地获得可靠的检测结果,但还存在以下待完善之处:(1)对天气情况的依赖性较强;(2)仅能获取定日镜的整个面形状况,对于局部面形的误差情形未能有效解决;(3)难以保证定日镜整体面形的基准平面与定日镜俯仰旋转轴平行;(4)定日镜子镜的调整过程需要高空作业;(5)由于太阳入射角度的不同,定日镜在一天不同时刻形成的光斑形状不同,因此用这种方法调整的定日镜,定日镜间面形的同一性不好。
人工光源测量法(CN 101303270 B),这种方法用在定日镜吊装完成之后,整个测量过程在夜间完成。每一面待测定日镜的检测均要求事先调整好人工光源、待测镜,工作量大,对定日镜子镜的调整需要高空作业,再加上调整过程是在夜间完成,其安全性需要充分考虑。
全站仪测量法,这种方法是用全站仪测量定日镜子镜四个角点的标高,通过调整定日镜子镜的角度,使该子镜四个角点到理论曲面的距离相等。这种方法的优级点在于检测安装过程在地面进行,其不足之处在于调整过程至少需要有两个人,一个人操作全站仪一个人调整定日镜子镜。
基于现有检测方法的检测装置很简单,只有人工光源、全站仪等辅助设备,没有用于定日镜吊装前的专用检测设备,自动化程度低。
发明内容
本发明的目的是克服现有测量技术的不足,提供一种快速、简单、高效的定日镜面形误差检测装置及检测方法,方便用户根据误差安装调整定日镜子镜。
本发明面形误差检测装置主要由激光扫平仪、激光探测装置、手持操控仪及上位计算机控制系统等部分组成,上述四大部件以上位计算机控制系统为中心实现各部件之间的连接,激光扫平仪、激光探测装置及手持操控仪与计算机之间的通讯均采用zigbee无线通讯技术。
各个部件的组成结构分述如下:
1、激光扫平仪
激光扫平仪由激光发生器、伺服电机、伺服电机驱动器、无线通讯模块、底座及外壳组成;其中伺服电机的旋转编码器采用多圈绝对型编码器,伺服电机驱动器具有控制并驱动伺服电机在0-360度范围内旋转的功能,0度所指方向称为激光扫平仪的基准方向;伺服电机驱动器通过Zigbee无线通讯模块与上位计算机控制系统通讯,接收并执行上位计算机控制系统的指令;伺服电机驱动器位于激光扫平仪底座上方,伺服电机旋转轴垂直向上固定安装在激光扫平仪的外壳里,激光发生装置安装在伺服电机的旋转轴上且所发射激光的方向与旋转轴垂直;所述的伺服电机带动激光发生器水平旋转;
2、激光探测装置
激光探测装置由底座、标尺杆及探测靶组成;底座上安装有标尺杆;探测靶安装在标尺杆上,可沿标尺杆上下移动;探测靶由一维PSD传感器、PSD信号处理电路以及与上位计算机连接的Zigbee无线通讯模块及外壳组成;当激光照射到一维PSD传感器表面时,PSD信号处理电路将传感器的电信号转换为激光光斑中心到传感器中心的距离信号,通过Zigbee无线通讯模块将此距离信号传送到上位计算机控制系统;一维PSD传感器竖直安装在探测靶表面,PSD信号处理电路及Zigbee无线通讯模块安装在探测靶的外壳内。
3、手持操控仪
手持操控仪由显示屏及输入键盘组成;手持操控仪与上位计算机通过无线方式交互数据。
4、上位计算机控制系统
上位计算机控制系统由计算机、上位控制软件及Zigbee无线通讯模块组成;上位计算机控制系统是整个测量系统的核心,与激光扫平仪、手持操控仪及激光探测装置通过无线方式交互信息;上位计算机控制系统读取手持操控仪输入的待测点的坐标号,分析计算并控制激光扫平仪旋转激光束到指定的角度,上位计算机控制系统读取手持操控仪输入的激光探测靶在标尺杆上的位置信息以及激光探测靶发出的激光光斑所在的位置信息,分析计算出待测点到理论曲面的距离并将该距离在手持操控仪的显示屏上显示出来。
本发明利用旋转激光束可以形成一个平面的特点,并以此平面为基准面调整定日镜面形,本发明用于定日镜吊装前的定日镜子镜的安装及整体面形调整。
安装定日镜子镜前先将定日镜支架安装固定好,然后将本发明装置中的激光扫平仪(以下简称扫平仪)安装在定日镜支架的中心位置,调整扫平仪的扫平面,使扫平仪的扫平面与定日镜中心法线垂直;以激光扫平仪激光束的旋转中心为坐标原点,以激光扫平面为XY平面建立三维坐标系,在上位计算机控制系统中确定并输入定日镜的理论曲面参数、待测点的XY坐标及与之对应的坐标号,通过激光探测装置检测某一待测点到激光扫平面的距离,从而可以计算出待测点到理论曲面的高度差,调节该待测点的镙丝,使该子镜各待测点到理论曲面的高度差相等即可。待测点一般选在定日镜子镜的安装点,这些安装点的坐标在支架设计阶段已经确定,通过调节这些点的高度可以调节定日镜子镜的倾斜角度。
计算机与扫平仪、探测装置及手持操控仪通过无线通讯连接;将激光探测装置放置在定日镜的待测点。通过手持操控仪输入待测点的坐标号,上位计算机控制系统读取该坐标号并通过扫平仪控制激光束射向待测点方向;通过手持操控仪手动微调激光束的旋转角度,上下移动激光探测装置的探测靶在标杆尺上的位置,使激光光斑打在探测靶的有效区域;用户读取探测靶所处位置标尺杆的刻度,并将该刻度值通过手持操控仪输入到计算机中;探测靶通过PSD传感器读取激光所在位置的高度值发送给计算机,计算机据此算出该待测点与理论曲面在高度方向的差值并送到手持操控仪的显示屏;用户调整该与该待测点对应的调节镙丝,使待测子镜的各待测点与理论曲面在高度度方向差值相等,则该定日镜子镜调整完毕。定日镜所有待测点均调整到位后,则定日镜调整完毕。
利用本发明装置检测定日镜面形误差的方法的操作步骤如下:
1、准备:先将定日镜的传动箱固定安装在水平地面上,将定日镜支架安装在传动箱上并使支架的四个角点在同一平面内,支架平面与地面平行。
2、安装扫平仪:将激光扫平仪安装在位于定日镜中心的传动箱上;调整激光扫平仪扫平面与定日镜中心法线垂直;将激光扫平仪与传动箱连接并固定;
3、设定坐标系:以激光扫平仪旋转激光束的旋转中心为坐标原点,激光扫平仪扫平面为XY平面,激光扫平仪的基准方向为X轴,建立三维坐标系;安装扫平仪时要求基准方向与定日镜俯仰轴平行,Z轴与定日镜中心法线平行;
4、架设探测靶:用户安装定日镜某一子镜,定日镜子镜与定日镜支架的连接点是可以调整高度的,调节这些连接点的镙丝高度,可以调整子镜的安装角度;选择该子镜的一个待测点,并在该待测点放置激光探测装置;通过手持操控仪的人机交互界面输入该待测点的坐标号;
5、初始化上位计算机控制系统:将待测定日镜的理论面形函数输入到计算机中;定日镜待测点一般选择可以调整定日镜子镜倾斜角度的调节镙丝的位置;定日镜的这些待测点坐标在支架设计完成后就是已知的,根据定日镜设计图将待测点坐标及与之对应的坐标号输入到计算机中;
6、控制流程:上位计算机控制系统接收手持操控仪输入的所述待测点的坐标号;上位计算机控制系统控制扫平仪将激光束指向置于该待测点的激光探测装置的探测靶;用户通过手持操控仪手动微调激光束的旋转角度,人工调整探测靶的高度,使激光束打到探测靶的有效区域上;用户读取探测靶在标杆尺上所处位置值并经手持操控仪输入到计算机中;激光探测装置将PSD传感器检测到的高度信号发送到上位计算机;计算机据此可以计算出该待测点到理论曲面的距离并反馈到手持操控仪;
7、定日镜面形调整:用户根据该待测点到理论曲面的距离调整镙丝高度。使定日镜所有子镜的所有可调点到理论曲面的距离相等。
本发明具有如下特点:
第一,整个检测调整过程只需一人就可以完成,降低劳动强度。
第二,通过手持操控仪输入待测点坐标号,控制激光束指向置于待测点的探测靶;手持操控仪的显示屏显示待测点到理论曲面的距离,用户只要调整镙丝使同一子镜每个待测点的到理论曲面的距离相等,即可完成该子镜的安装流程,测量过程自动完成,提高工作效率。
第三,整个检测过程是在同一坐标系中完成调整安装,只要所有调节点到理论曲面的距离相等,定日镜的整体面形就是连续光滑的,从而提高了定日镜整体面型的美观度。
第四,本发明检测方法所使用的激光扫平仪不同于现有技术的激光扫平仪,是为定日镜面形检测专门设计制作的,由激光发射装置及伺服系统组成,伺服电机驱动器通过zigbee无线通讯模块与上位计算机控制系统通讯,和现有技术的激光扫平仪相比,该扫平仪能够接收上位计算机控制系统的指令,与激光探测装置及手持操控仪一起构成一个完整的整体;另外,该激光扫平仪没有自动调水平功能,成本低廉。
第五,由于定日镜的焦距远,同一子镜各可调点的高差一般小于1cm,因此本发明探测装置采用了在标尺杆上移动探测靶的方式;探测靶PSD传感器的长度不小于3cm即可,完全可以满足调节同一子镜时不需要调整探测靶在标尺杆上的高度。因此探测装置的成本也不高。
第六,上位计算机与扫平仪、探测靶及手持操控仪采用无线通讯,手持操控仪与探测装置由电池供电,操作时没有拉扯线缆的烦恼,操作方便快捷。
第七,激光扫平仪固定安装在传动箱上,扫平面不随定日镜支架的颤动而颤动,扫平面始终与传动箱的俯仰轴平行,从而保证了定日镜法线与俯仰轴垂直。
附图说明
图1本发明检测系统结构图;
图2本发明激光探测装置结构图;
图3本发明激光扫平仪结构图;
图4本发明手持操控仪结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示,本发明检测装置包括激光扫平仪、上位计算机控制系统、手持操控仪和激光探测装置,用于在组装定日镜时检测定日镜的面形误差。
激光扫平仪、手持操控仪以及激光探索测装置与上位计算机控制系统之间采用zigbee无线通讯方式;手持操控仪通过上位计算机控制激光扫平仪旋转。
激光扫平仪由激光发生器、伺服电机、伺服电机驱动器、无线通讯模块、底座及外壳组成;其中伺服电机的编码器采用多圈绝对型编码器,伺服电机驱动器具有控制并驱动伺服电机在0-360度范围内旋转的功能,0度所指方向为称激光扫平仪的基准方向;伺服电机驱动器通过Zigbee无线通讯模块与上位计算机控制系统通讯,接收并执行上位计算机控制系统的指令;伺服电机驱动器位于激光扫平仪底座上方,伺服电机旋转轴垂直向上固定安装在激光扫平仪的外壳里,激光发生装置安装在伺服电机的旋转轴上且所发射激光的方向与旋转轴垂直;所述的伺服电机带动激光发生器水平旋转;
手持操控仪由操作键盘、显示屏以及Zigbee无线通讯模块组成,用户通过键盘输入待测点的坐标号,手持操控仪将该坐标号传送给上位计算机,上位计算机通过激光扫平仪将激光束指向探测靶,用户手动微调激光束的旋转角度,使激光束打到探测靶上,如果激光束光斑位置不在探测靶的有效测量区域,手动上下移动探测靶,并将探测靶在标杆尺上的位置通过手持操控仪输入到计算机中,计算机通过探测靶返回的位置值及用户输入的探测靶在标尺杆上的位置值,计算得到待测点的到理论曲面的距离,然后将该距离在手持操控仪的显示屏上显示。如图所示,显示屏、操作键盘及Zigbee无线通讯模块都是连接在手持操控仪内的控制板上的,该控制板具有显示信息处理输入、键盘信息接收及通过zigbee无线通讯模块与上位计算机控制系统通讯的功能。
激光探测装置由可以调整角度的底座、标尺杆及探测靶组成。底座上安装了标有刻度的标尺杆,探测靶安装在标尺杆上,可沿标尺杆上下移动。探测靶包含PSD传感器、探测靶控制电路及zigbee无线通讯模块,用户上下调整探测靶标尺杆的位置,可以使激光束打到PSD传感器上;探测靶将激光束光斑在PSD传感器上的位置信息发送到计算机中,用户将探测靶在标尺杆上的位置通过手持操控仪输入到计算机中。PSD传感器与Zigbee无线通讯模块与探测靶控制电路连接,探测靶控制电路具有采集PSD传感器信息的功能,可以分析并计算出激光光斑在PSD传感器上的位置,并通过Zigbee无线通讯模块将该位置值传送给上位计算机控制系统。
上位计算机控制系统由计算机、上位控制软件及zigbee无线通讯模块组成。上位计算机控制系统与手持操控仪、激光探测靶及激光扫平仪通过无线通讯方式相连接,上位计算机控制系统发送控制指令控制激光扫平仪旋转,接收探测装置、手持仪的信号确定待测点所处的空间位置,将待测点坐标与对应的理论曲面坐标相比较,计算出该测点需要的调整量并显示到手持仪的显示屏上;用户根据这个调整量调整镙丝的高度,达到定日镜面形检测与调整的目的。
在检测调整定日镜面形的过程中,上述四件部件缺一不可,这四件部件是为检测与调整定日镜面形专门设计的,相互之间通过Zigbee无线通讯模块相连接。
本发明检测方法如下:
先将定日镜的传动箱固定安装在水平地面上,将定日镜支架安装在传动箱上并使支架的四个角点在同一平面内,此平面必须与传动箱的俯仰轴平行。
将扫平仪与定日镜的传动箱固定,调整激光扫平仪底座的角度,使激光扫平仪发射的激光束形成的平面与定日镜安装支架四个角点形成的面平行;以旋转激光束形成的平面为基准面,以激光束的旋转中心为坐标原点,建立三维坐标系,其中基准面为XY平面,激光扫平仪的基准方向为X轴且与定日镜俯仰轴平行,坐标系统的Z轴与XY平面垂直且与定日镜中心法线平行;将待测定日镜的面形函数输入到计算机中,并根据定日镜支架设计图输入待测点的坐标及与之对应的坐标号,待测点一般选在可以调节定日镜子镜倾斜角度的调节镙丝的位置。为了便于安装调试,用户从定日镜中心往四边安装调整定日镜子镜,将一块子镜基本固定后,选择该子镜的某一待测点,并在该点放置激光探测装置;通过手持操控仪的人机交互界面输入该待测点的坐标号;上位计算机控制系统接收手持操控仪输入的坐标号;上位计算机控制系统通过扫平仪将激光束指向置于该待测点的探测靶;用户通过手持操控仪手动微调激光束的旋转角度,人工调整探测靶在标尺杆上的位置,使所述激光束打到探测靶上;激光探测装置将PSD传感器检测到的高度信号传送到上位计算机控制系统;用户通过手持操控仪输入探测靶在标尺杆上的位置传送到上位计算机控制系统;上位计算机控制系统根据标尺读数及PSD传感器的值,确定该待测点与定日镜标准面形在高度方向上的差值,并将该差值显示到手持操控仪的显示面板上,用户根据该差值调整与该测点对应的调节镙丝的高度。当该子镜所有可调点到标准曲面的高度方向的差值相等时,就完成了该子镜的安装调整过程。当定日镜所有可调点到标准曲面高度差相等时,就完成了整面定日镜面形的调整过程。
如图2所示,将激光探测装置放置在定日镜子镜待测点位置,如果激光扫平仪的激光束没有打到PSD传感器表面,可以上下移动探测靶使扫平仪发射的激光束打到PSD传感器表面。用户从手持操控仪输入激光探测装置的探测靶在标尺杆上的位置;探测靶所采用的传感器是长度不小于3cm的一维PSD传感器,可以检测出激光光斑偏离传感器中心的距离。将PSD传感器的测量值与探测靶在标尺杆上的位置值相加,即可得到该待测点到激光基准面的距离;上位计算机控制系统根据该距离值可以计算出该待测点到标准曲面的距离并显示到手持操控仪的显示屏幕上。用户调整该待测点对应的调节镙丝,随着镜面的调节激光光斑会在PSD传感器表面上下移动,即该待测点到激光基准面的距离也就发生改变,所有待测点到标准曲面的距离相等时,就完成了定日镜面形的安装调整工作。由于定日镜的焦距较远,因此定日镜面形的弧度较小,通常定日镜子镜的各个待测点到激光扫平面的距离差小于3cm,即,只要PSD传感器的长度不小于3cm,就可以实现在调整同一面定日镜子镜时,探测靶在标尺杆上的位置只需要调整一次。
如图3所示,激光扫平仪由激光发生器、伺服电机、伺服驱动器、无线通讯模块、底座及外壳组成。其中伺服电机的旋转编码器采用多圈绝对型编码器,伺服驱动器控制伺服电机在0-360度范围内往复旋转,0度所指方向为称激光扫平仪的基准方向;激光发生装置安装在电机旋转轴上且所发射激光的方向与旋转轴垂直;伺服电机带动激光束水平旋转;底座可以调节激光扫平仪的倾斜角度;伺服电机驱动器与上位计算机采用Zigbee无线通讯方式通讯。
激光扫平仪安装到定日镜传动箱上时,扫平仪激光束的基准方向与传动箱俯仰轴平行,上位计算机控制系统发送指令给激光扫平仪的伺服驱动器,控制激光束旋转到需要的角度。
如图4所示,手持操控仪由操作键盘、显示屏以及Zigbee无线通讯模块组成,用户通过键盘输入待测点坐标号,通过上位计算机控制系统控制激光扫平仪将激光束指向探测靶,用户通过手持操控仪输入探测靶在标尺杆上的位置值,计算机通过该位置值及探测靶返回的测量值计算出待测点到标准曲面的距离并在显示屏上显示。用户通过该值调整对应调镙丝的高度,达到调整定日镜面形的目的。
Claims (8)
1.一种定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述的检测装置由激光扫平仪、激光探测装置、手持操控仪及上位计算机控制系统组成;所述的上位计算机控制系统与激光扫平仪、激光探测装置及手持操控仪通过Zigbee无线通讯模块交互信息;激光扫平仪安装在待测定日镜的中心位置,激光探测装置放置在定日镜的待测点,上位计算机控制系统控制激光扫平仪的激光束水平旋转并射向激光探测装置,激光探测装置检测激光光斑到待测点的距离。
2.按照权利要求1所述的定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述的激光扫平仪由激光发生器、伺服电机、伺服电机驱动器、无线通讯模块、底座及外壳组成;所述的伺服电机驱动器控制并驱动伺服电机在0-360度范围内旋转的功能,0度所指方向称为激光扫平仪的基准方向;伺服电机驱动器通过Zigbee无线通讯模块与上位计算机控制系统通讯,接收并执行上位计算机控制系统的指令;伺服电机驱动器位于激光扫平仪底座上方,伺服电机旋转轴垂直向上固定安装在激光扫平仪的外壳里,激光发生装置安装在伺服电机的旋转轴上且所发射激光的方向与旋转轴垂直;所述的伺服电机带动激光发生器水平旋转。
3.按照权利要求2所述的定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述伺服电机的旋转编码器采用多圈绝对型编码器。
4.按照权利要求1所述的定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述的激光探测装置由底座、标尺杆及探测靶组成;底座上安装有标尺杆;探测靶安装在标尺杆上,可沿标尺杆上下移动。
5.按照权利要求3所述的定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述的探测靶由一维PSD传感器、PSD信号处理电路以及与上位计算机连接的Zigbee无线通讯模块及外壳组成;一维PSD传感器竖直安装在探测靶表面,PSD信号处理电路及Zigbee无线通讯模块位于探测靶的外壳内;当激光照射到一维PSD传感器表面时,PSD信号处理电路将一维PSD传感器的电信号转换为激光光斑中心到传感器中心的距离信号,通过Zigbee无线通讯模块将此距离信号传送到上位计算机控制系统。
6.按照权利要求1所述的定日镜面形误差检测装置,其特征在于,所述的手持操控仪由操作键盘、控制电路、Zigbee无线通讯模块及显示屏组成,手持操控仪与上位计算机控制系统之间通过无线通讯交互信息。
7.应用权利要求1所述的定日镜面形误差检测装置的检测方法,其特征在于,所述的检测方法步骤为:
1)将所述的激光扫平仪安装在定日镜支架的中心位置,调整激光扫平仪的扫平面,使所述的扫平面与定日镜中心法线垂直;使激光扫平仪的基准方向与定日镜传动箱的俯仰轴平行;以激光扫平仪激光束旋转中心为坐标系原点,激光扫平仪基准方向为X方向,激光扫平面为XY平面建立坐标系;
2)在计算机中输入定日镜的面形参数,并输入定日镜子镜待测点的坐标及与之对应的坐标号,待测点选在能够调节定日镜子镜倾斜角度的镙丝的安装位置;计算机与扫平仪、探测装置及手持操控仪通过Zigbee无线通讯连接;将激光探测装置放置在定日镜的待测点;通过手持操控仪输入待测点的坐标号,上位计算机控制系统读取该坐标值并通过扫平仪的控制系统控制激光束射向待测点方向;通过手持操控仪手动微调激光束的旋转角度,上下移动激光探测装置的探测靶在标杆尺上的位置,使激光光斑打在探测靶的有效区域;用户读取探测靶所处位置标尺杆的刻度,并将该刻度值通过手持操控仪输入到计算机中;探测靶通过PSD传感器读取激光光斑所在位置的高度值发送给计算机,计算机据此算出该待测点与理论曲面在高度方向的差值并送到手持操控仪的显示屏;用户调整与该待测点对应的调节镙丝,使待测定日镜子镜的各待测点与理论曲面在高度方向差值相等;所有待测点均调整到位后,则定日镜调整完毕。
8.按照权利要求7所述的定日镜面形误差检测装置的检测方法,其特征在于,通过调节定日镜子镜的待测点的镙丝,使定日镜全部可调点到理论曲面的距离相等;若由于定日镜子镜的可调范围的限制,不能保证全部测点到理论曲面的距离相等时,确保单面子镜上可调点到理论曲面的距离相等,即可得到定日镜理想的光斑效果。
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