CN109116554B - 光学积分器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学积分器的设计方法，包括：根据太阳模拟器系统的应用要求，确定预期辐照均匀面的位置；所述预期辐照均匀面与准直镜的距离至少为准直镜与所述光学积分器距离的1.5倍；配置前组透镜和后组透镜的排布形式，使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式，并且经过准直镜形成的基准重叠像面处于预期辐照均匀面处。本发明方法相对于现有光轴汇聚为一点的积分器形式，改变了系统辐照均匀面的位置，能够极大的满足辐照均匀面与准直镜的大距离使用要求。

Description

光学积分器的设计方法

技术领域

本发明涉及光学积分器技术领域，尤其涉及一种光学积分器的设计方法。

背景技术

太阳模拟器可以模拟真实太阳的发光特性，用于模拟地球外层空间太阳光辐射，能够在地面实验室内逼真再现空间环境太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性。太阳模拟器主要由光源、聚光反射镜、光学积分器和准直镜等组成，光源发出亮度均匀的光经过聚光反射镜后，经光学积分器由准直镜成平行光出射，完成对无穷远太阳的模拟。

光学积分器作为使太阳模拟器产生均匀辐照面的关键组件，位于聚光反射镜和准直镜之间，能有效改善光照的光学均匀性。光学积分器主要包括两组透镜，前组透镜位于聚光反射镜第二焦面处，起到场镜作用并把聚光反射镜出瞳成像到后组透镜上；后组透镜把对应的所述前组透镜成像并重叠到被照面同一位置。因为前组透镜将聚光反射镜第二焦面上的辐照度分布进行了对称分割，获得的光照均匀性显著地好于第二焦面上的原光照均匀性。后组透镜将所有前组透镜的像叠加后，光照的光学均匀性误差可以相互补偿，故将光学均匀性最好的重叠像面位置处，作为基准辐照均匀面。

目前的太阳模拟系统中光学积分器各通道光轴在准直镜上与主光轴汇聚于一点，然后经准直镜形成的基准辐照均匀面与准直镜的距离和准直镜与积分器的距离相当。而对于要求基准辐照均匀面与准直镜的距离远远大于准直镜与积分器距离的太阳模拟器系统，按现有光学积分器进行设计，光线在到达系统要求的辐照均匀面位置时，重叠像面开始发散，无法满足系统辐照均匀面和体均匀性的要求。

因此，针对以上不足，需要提供一种能使基准辐照均匀面向远处延伸的光学积分器，以改善太阳模拟器的辐照均匀性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有光学积分器中透镜单元基于球面的形式排列，使各通道光轴在主光轴汇聚，而造成基准辐照均匀面距离准直镜的距离受限的缺陷，提供一种光学积分器的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光学积分器的设计方法，所述设计方法包括：

根据太阳模拟器系统的应用要求，确定预期辐照均匀面的位置；所述预期辐照均匀面与准直镜的距离至少为准直镜与所述光学积分器距离的1.5倍；

配置前组透镜和后组透镜的排布形式，使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式，并且经过准直镜形成的基准重叠像面处于预期辐照均匀面处。

在根据本发明所述的光学积分器的设计方法中，所述确定预期辐照均匀面的位置的方法包括：

根据太阳模拟器系统的应用要求建立模型，并通过光路仿真计算获得预期辐照均匀面的位置。

在根据本发明所述的光学积分器的设计方法中，所述确定预期辐照均匀面还包括：确定预期辐照均匀面的预期辐照面积；所述基准重叠像面的辐照面积不小于所述预期辐照面积。

在根据本发明所述的光学积分器的设计方法中，所述使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式的方法包括：调整前组透镜和后组透镜的摆放方位，使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布。

在根据本发明所述的光学积分器的设计方法中，使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布包括，使透射光束的光轴在准直镜上均匀排布。

实施本发明的光学积分器的设计方法，具有以下有益效果：本发明将光学积分器各通道光轴设计为在准直镜处呈发散式，相对于现有光轴汇聚为一点的积分器形式，能改变系统基准重叠像面的位置，极大的满足基准辐照均匀面与准直镜的大距离使用要求；并且通过发散式排布的光轴通道设计，在基准重叠像面前后两个方向一定距离内的光线辐照均匀性都能相对得到保障，满足了一定体积空间内的辐照均匀性要求；因此，本发明有效改善了太阳模拟器的辐照体均匀性，能更好的满足太阳模拟系统的模拟需求。

附图说明

图1为根据本发明的光学积分器的设计方法的示例性流程图；

图2是本发明方法设计的光学积分器与现有积分器形成辐照均匀面的示例性对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种光学积分器的设计方法，结合图1所示，所述设计方法包括：

所述设计方法开始于步骤110；

然后执行步骤120，根据太阳模拟器系统的应用要求，确定预期辐照均匀面的位置；所述预期辐照均匀面与准直镜的距离至少为准直镜与所述光学积分器距离的1.5倍；

再执行步骤130，配置前组透镜和后组透镜的排布形式，使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式，并且经过准直镜形成的基准重叠像面处于预期辐照均匀面处；其中前组透镜和后组透镜分别包括多个透镜单元，相对应的一对透镜单元决定一组透射光束的方向，分别调节每一对透镜单元透射光束的方向，可以获得相互呈发散式排布的光轴通道。

最后，所述设计方法结束于步骤140。

本公开中所述的基准重叠像面是指均匀性最好处的重叠像面，同样基准辐照均匀面也指均匀性最好处的重叠像面。对于光学积分器来说，经准直镜形成的辐照区域形成一定的体积空间；以现有积分器为例，由于其透镜设置形式，其汇聚性及均匀性最好的重叠像面只能处于与准直镜距离相对近的位置，与准直镜和积分器的距离相当；当越过基准辐照均匀面之后，结合图2所示，由于光线的直线传播特性，距离准直镜越远，能够形成的重叠区域越小，在本发明的预期辐照均匀面B处，重叠区域只对应于图2中A的大小，因此能量利用率较低。

本实施方式提供了一种不同于现有光学积分器中透镜排布形式的光学积分器设计方法，它将现有积分器各光轴通道会聚于主光轴的透镜设置形式,替换为能使积分器各光轴通道至少不会全部相交于主光轴上一点的透镜设置形式。使透射光束的光轴通道相互呈发散式，理论上包括除各光轴相交于主光轴上一点以外的所有光轴通道排布形式，例如，包括通过调整透镜的相对位置，使积分器各光轴通道相互平行的形式。

将积分器各光轴通道配置为发散式后，各光轴通道光线经过准直镜后的重叠区域会相应增大，其中重叠区域的均匀性最好的位置形成了基准辐照均匀面；光线的重叠区域越大，能够获得的满足一定体均匀性的辐照均匀区越大。

本发明所述的积分器在预期辐照均匀面前后一定距离内，光线辐照的均匀性均能达到一定的预期均匀度指标，通过调整，可以满足预期体均匀性；经实验验证，本发明将各光轴通道设置成发散式后，光照区域具有一定体均匀性的空间长度远远大于现有光学积分器能达到的体均匀性长度，因此，本发明能有效延伸太阳模拟器辐照体均匀性的长度。所述体均匀性是指光轴的基准重叠像面前后一定距离的空间内具有满足设定要求的光照均匀性。

本实施方式能够获得的预期辐照均匀面与准直镜的距离至少能达到现有光学积分器相应距离的1.5倍，能够更好的满足太阳模拟系统的模拟要求。

进一步，所述确定预期辐照均匀面的位置的方法包括：

根据太阳模拟器系统的应用要求建立模型，并通过光路仿真计算获得预期辐照均匀面的位置。

本公开中，基于所述太阳模拟器系统进行光路仿真计算，首先要按照太阳模拟器光学系统参数建模，通过光路传播原理来确定预期辐照均匀面的位置。

确定预期辐照均匀面后，再确定如何设置前组透镜和后组透镜，能使形成的基准重叠像面与预期辐照均匀面相对应。例如，可以按照预期的理想光路来调整积分器各通道的光轴方向。具体方法可以是：使光学积分器外围光线经过准直镜后在预期辐照均匀面处相对中心光线的倾斜角度变小，相对向外围区域发散，从而增大在预期辐照均匀面处的像面重叠区域，以改善太阳模拟器的辐照均匀性。

预期辐照均匀面除了在与准直镜的距离上要满足设定要求，也要满足辐照区域面积的相应要求，具体的：

所述确定预期辐照均匀面还包括确定预期辐照均匀面的预期辐照面积；所述基准重叠像面的辐照面积不小于所述预期辐照面积。

为满足预期辐照面积的要求，可以调整前组透镜和后组透镜的透射光路，使不同的光轴在不同位置处相交后再到达准直镜，例如使所有光轴有多个相交点，并相互不重合；且使各光轴通道末端能够在准直镜的中心光轴外围呈发散状态，从而能在预期辐照均匀面的位置获得均匀度较好的，面积较大的重叠像面。

作为示例，所述使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式的方法包括：调整前组透镜和后组透镜的摆放方位，使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布。对前组透镜和后组透镜的调整包括：分别调整每一对透镜单元的中心连线方向，使其满足光轴的发散分布要求。

再进一步，使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布包括，使透射光束的光轴在准直镜上均匀排布。在实际使用中，可以通过调整光路的方向，使光轴在准直镜上近似均匀分布。

下面结合图2对本公开进一步说明：假设积分器1为现有积分器，此时所有透镜对形成的光轴如图中虚线3所示，其在准直镜2上会聚于一点，此时光线经准直镜2反射后的分布区域如图中A对应的线条包含区域所示，其对应的辐照均匀面大约处于图中所示光线的中段，也就是说，在所述中段其均匀性最好；然后，随着光的直线传播特性，当光线到达A所示位置时，依然存在重叠像面，但重叠像面的有效面积明显变小，按这种形式设计的光学积分器不能满足预期辐照均匀面与准直镜的大距离要求。

再假设积分器1为采用本发明方法设计的积分器，其光轴在准直镜上的分散式排布由积分器1发出的两粗线条示意，在未到达准直镜2时有交点；此时，对应于积分器1上边缘的一对透镜光束采用两实线条4示意，经准直镜2反射后的光束以一对实线条5所限定的区域示意；而对应于积分器1下边缘的一对透镜光束采用两虚线条6示意，经准直镜2反射后的光束以一对虚线条7所限定的区域所示；其它点划线条对应于其它透镜对的出射光束。从图2中所示可知，均匀性最好的基准重叠像面可达到B所示位置，因此，本发明方法设计的积分器能够形成远距离的基准辐照均匀面，相对于现有积分器距离有明显的增加；同时，与现有积分器相比，辐照面积有明显的增加，由图中B与A的示意可以获知。

综上所述，本发明方法设计的光学积分器，通过调整积分器各光轴通道的方向，能够获得的辐照均匀面与准直镜距离能够达到远远大于现有常规设计得到的相应距离，这种设计形式还使基准辐照均匀面前后一定距离空间内的辐照均匀性得到保证，延长了太阳模拟器体均匀性的有效空间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种光学积分器的设计方法，其特征在于所述设计方法包括：

根据太阳模拟器系统的应用要求，确定预期辐照均匀面的位置；所述预期辐照均匀面与准直镜的距离至少为准直镜与所述光学积分器距离的1.5倍；

配置前组透镜和后组透镜的排布形式，使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式，并且经过准直镜形成的基准重叠像面处于预期辐照均匀面处；

所述确定预期辐照均匀面的位置的方法包括：

根据太阳模拟器系统的应用要求建立模型，并通过光路仿真计算获得预期辐照均匀面的位置；

所述确定预期辐照均匀面还包括：确定预期辐照均匀面的预期辐照面积；所述基准重叠像面的辐照面积不小于所述预期辐照面积；

所述使透射光束的光轴通道在准直镜处相互呈发散式的方法包括：调整前组透镜和后组透镜的摆放方位，使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布；其中，对前组透镜和后组透镜的调整包括：分别调整每一对透镜单元的中心连线方向。

2.根据权利要求1所述的光学积分器的设计方法，其特征在于：使透射光束的光轴在准直镜上分散式排布包括，使透射光束的光轴在准直镜上均匀排布。

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