CN108107559B - 一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统，利用成像光学和非成像光学不同的聚光特性，结合抛物面镜和复合抛物面聚光器得到新的具有高透光率的高倍聚光系统。本系统将抛物面镜的反射光束的发散角、焦面处光斑的直径与复合抛物面聚光器的最大接收角、入射面直径进行精确的匹配，推导出入射光束的张角等与系统参数的关系式以及系统的聚光比，从而得到在透光率最大的前提下的最优聚光系统。本发明适用于纯聚光应用实验中，为不同发散角的光束的高倍聚光提供了条件。

Description

一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统
技术领域
本发明涉及纯聚光应用的技术领域，具体涉及一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统，其为针对不同张角光束的高透光率、高聚光比的聚光器件。
背景技术
聚光要解决的最基本问题就是：给定一束具有某一最大发散角的光，从具有某一特定大小的入射孔径入射，怎样才能让它们高效地从一个尽可能小的出射孔径射出。为了解决这个问题，我们很自然地想到的是利用凸透镜系统，典型的利用成像光学来解决聚光问题。若透镜直径2a，入射光束张角为2θ，在一般的成像理论中，阿贝正弦定理hnsinU＝h′n′sinU′给出了物象尺寸和入射角之间的关系，角度很小的时候可以用U、U′代替sinU、sinU′。那么像的大小为2fθ。其理论聚光比为：
C＝(2a/2fθ)2＝(a/fθ)2 (1)
根据这个式子，我们似乎可以设计一个口径很大而焦距很小(即f数很小)的光学系统来获得相当大的聚光比。然而，这是不可取的，因为实际光学成像系统有球差、离轴像差、色差等像差，当我们想要得到大的C时，a/f就要尽可能的大，在这种情况下，像差就会很大以至于严重地影响了透光率。像差会严重地影响透光率。
成像光学的设计理念是提高光学系统的成像质量，追求的是如何在焦平面上获得完美的像，其聚光的性能远达不到理论上的最大聚光能力。因此对于各种纯聚光要求的应用(如太阳能领域和高能物理领域)来说，只有放弃成像要求才有可能获得理想的结果，这促进了非成像光学聚光器的研究和发展。基于非成像光学的聚光装置可以将聚光能力在传统的基于成像光学的聚光器件的基础上提高很多倍。因此，结合成像光学和非成像光学，我们可以设计一个两级聚光器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：计算出针对不同张角光束的聚光系统的精确模型、抛物面镜和复合抛物面聚光器的精确匹配。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统，包括抛物面镜、复合抛物面聚光器，作为第一级的抛物面镜反射入射光，抛物面镜进行第一次聚光后，在其焦面处放置一个复合抛物面聚光器，复合抛物面聚光器作为第二级，抛物面镜的反射光的张角与复合抛物面聚光器的最大接收角吻合，并且其入口直径等于抛物面镜焦点处光斑的直径，复合抛物面聚光器将入射光进行第二次聚光后从其出口射出，经过两次聚光之后，入射光束的光照度能提高数倍，并且透光率在90％甚至95％以上。
其中，若复合抛物面聚光器的内部折射率为n、抛物面镜的直径为D、焦距为F、入射光束半角为θ，则复合抛物面聚光器的最大接收角
Figure BDA0001552775030000021
入口直径Din、出口直径Dout为：
Figure BDA0001552775030000022
Figure BDA0001552775030000023
Figure BDA0001552775030000024
聚光系统的理论几何总聚光比C为：
本发明的原理是：为了提高第一级和第二级之间光束发散角和尺寸的匹配精度，提高入射进复合抛物面聚光器的光通量，从而提高聚光系统的透光率，本文采用图1中光线3与光轴的夹角
Figure BDA0001552775030000026
作为复合抛物面聚光器的最大接收角，从而计算抛物面镜的口径、焦距和复合抛物面聚光器的入口直径、最大接收角之间的关系。若给定抛物面镜的直径D、焦距F和复合抛物面聚光器的内部折射率n，改变入射光的张角θ则得到相应的系统模型。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明可以得到针对不同张角入射光的最佳的系统参数。
2、本发明得到的聚光系统具有非常高的透光率。
附图说明
图1为一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统；
图2为复合抛物面聚光器聚光的原理示意图；
图中附图标记含义为：I为抛物面镜，II为复合抛物面聚光器，n、
Figure BDA0001552775030000027
l分别为复合抛物面聚光器的内部折射率、最大接收角和长度，θ为入射光束半角，D、F、L分别为抛物面镜的直径、焦距和厚度。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明具体实施方式。
如图1-2所示，一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统由抛物面镜I和复合抛物面聚光器II构成。两级系统中的抛物面镜是成像光学器件，它反射入射光、进行第一次聚光后，会在焦面处形成一个有一定大小的光斑，在这个光斑处放置一个复合抛物面聚光器，如图2所示，直线AC平行于抛物线BC的对称轴，D点是抛物线BC的焦点。根据抛物线的特性可知，所有平行于抛物线BC的对称轴方向的光线都会被抛物线BC反射并会聚到其焦点D处。同理，平行于BD方向的光线会聚到C点。因此，边缘光线被复合抛物面聚光器内壁反射，然后从出射孔径的边缘C、D两点射出。只要入射的边缘光线能够出射，那么介于边缘光线之间的所有入射光线都会从C、D两点之间出射。至此，可实现聚光的目的。经过两次聚光之后，入射光的光照度能提高数倍。
图1中，光线1,3对应入射光束的边缘光线，光线2对应入射光束的中间光线。现有的系统采用图1中的光线2作为复合抛物面聚光器的最大接收角。若给定抛物面镜的直径D和焦距F、复合抛物面聚光器的内部折射率n，那么复合抛物面聚光器的最大接收角
Figure BDA0001552775030000031
入口直径Din′、出口直径Dout′、长度l′为：
Figure BDA0001552775030000032
Figure BDA0001552775030000034
Figure BDA0001552775030000035
系统的理论几何总聚光比为：
Figure BDA0001552775030000036
而本发明中，系统采用图1中的光线3作为复合抛物面聚光器的最大接收角，使两级聚光器匹配得更精确，从而得到的系统透光率会更高，并且能适用于不同发散角的光束的聚光。那么复合抛物面聚光器的最大接收角
Figure BDA0001552775030000037
入口直径Din、出口直径Dout、长度l为：
Figure BDA0001552775030000038
Figure BDA0001552775030000041
Figure BDA0001552775030000043
系统的理论几何总聚光比为：
Figure BDA0001552775030000044
当给定抛物面镜的直径为D＝400mm，焦距为F＝1000mm，复合抛物面聚光器的内部折射率为n＝1，入射光半角为θ＝0.1°、0.2°、0.5°、1°、2°、3°、5°时，用TracePro对两个系统进行仿真，得到的透光率如表1所示。
表1两个系统对不同入射光的透光率
0.1° 0.2° 0.5° 1° 2° 3° 5°
本发明 93.88％ 94.79％ 96.62％ 98.61％ 100％ 100％ 100％
原系统 91％ 90.88％ 91.28％ 89.28％ 85.65％ 81.32％ 13.46％
可以看到本发明的系统的透光率一直在90％以上，而原系统的透光率在入射光束半角超过1°的时候小于90％、5°的时候急速下降到15％以下。因此采用图中光线3作为复合抛物面聚光器的最大接收角的方法能保持系统的透光率极高，而且聚光比也高。
一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统主要用于纯聚光实验中。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种针对不同张角光束的高透光率聚光系统，包括抛物面镜(I)、复合抛物面聚光器(II)，其特征在于：作为第一级的抛物面镜(I)反射入射光，抛物面镜(I)进行第一次聚光后，在其焦面处放置一个复合抛物面聚光器(II)，复合抛物面聚光器(II)作为第二级，抛物面镜(I)的反射光的张角与复合抛物面聚光器(II)的最大接收角吻合，并且其入口直径等于抛物面镜(I)焦点处光斑的直径，复合抛物面聚光器(II)将入射光进行第二次聚光后从其出口射出，经过两次聚光之后，入射光束的光照度能提高数倍，并且透光率在90％以上；
若复合抛物面聚光器(II)的内部折射率为n、抛物面镜的直径为D、焦距为F、入射光束半角为θ，则复合抛物面聚光器的最大接收角
Figure FDA0002262257440000011
入口直径Din、出口直径Dout为：
Figure FDA0002262257440000012
Figure FDA0002262257440000013
Figure FDA0002262257440000014
聚光系统的理论几何总聚光比C为：
Figure FDA0002262257440000015
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