CN113325577A - 一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，包括以下步骤：步骤S1、根据系统要求确定光学系统的F#数；步骤S2、确定光学积分器大小，即确定聚光反射镜需要在第二焦面处形成弥散斑的大小；步骤S3、确定光源与第二焦面的距离，根据光源的配光曲线，确定光源的发光角度；步骤S9、将所设计的自由曲面母线绕光轴旋转一周，即获得自由曲面反射镜的加工面型。本发明提供的自由曲面聚光反射镜能够精确控制光线走向，在第二焦面处形成与光学系统匹配F#数、大小与光学积分器匹配、均匀的弥散斑，能够有效的提升光学系统输出的均匀性；本发明提供的自由曲面反射聚光镜至少具有二阶连续性，加工成本提升较少，经济性好。

Description

一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法
技术领域
本发明涉及非成像光学及照明技术领域，具体是一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法。
背景技术
均匀性是太阳模拟器光学系统指标的一个关键技术指标，均匀性的提升对于太阳模拟器光学系统的输出有着极为重要的意义。
典型的太阳模拟器光学系统主要包括短弧氙灯、聚光反射镜、光学积分器、准直镜或其他叠加透镜组成。为了提升光学系统的聚光效率，聚光镜常采用椭球聚光镜，因为从光学原理上看，椭球聚光镜从第一焦点发出的光，经椭球聚光镜反射后，能够全部到达第二焦点处。这种设计会造成在椭球聚光镜第二焦点处聚集大量的能量，但从原理上说，理想中的点光源处于椭球聚光镜第一焦点处会在第二焦点处形成“”函数形式的能量分布，即能量只分布在焦点处，非常集中，在文章“张燃，张国玉，张健等. 大面积发散太阳模拟器的均匀照明[J]. 光学精密工程，2019, 27(3):552-560”中就给出了椭球聚光镜在第二焦点处的能量分布，与图6所示的我们实际测试的椭球聚光镜第二焦点处的能量分布非常类似。
这种能量分布模式能够最大限度的利用光源的光能，但对太阳模拟器输出的均匀性是不利的。文章“王国名，张国玉，刘石。提高太阳模拟器辐照均匀性的光学系统优化设计[J]. 激光与光电子学进展，51,012204(2014)”，采用了非共轴椭球聚光镜和xy多项式曲面聚光镜的手段，以期在聚光镜第二焦面处形成较为均匀的弥散斑，配合光学积分器的匀光作用，提升太阳模拟器输出的均匀性，这种方法具有一定的效果，但还有很大的提升空间。
这是由于在第二焦面处所形成的弥散斑还不够均匀，特别是针对光学积分器通道数比较少的情况，这种影响更大。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明目的是提出一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，通过本发明设计的自由曲面反射镜，能够在第二焦面处形成非常均匀的弥散斑，配合积分器的匀光作用，能够进一步的提升太阳模拟器输出的均匀性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、根据系统要求确定光学系统的F#数；
步骤S2、确定光学积分器大小，即确定聚光反射镜需要在第二焦面处形成弥散斑的大小；
步骤S3、确定光源与第二焦面的距离，根据光源的配光曲线，确定光源的发光角度；
步骤S4、根据步骤S2和步骤S3所确定的参数，构建整体设计布局，绘制光路图，确定光源的内边缘光线、外边缘光线以及目标辐照面和光轴，其中，目标辐照面由步骤S2中确定的光学积分器入光口大小确定；
步骤S5、根据光源的配光曲线，将光源的内边缘光线和外边缘光线所包络的光源发光区间分为多个出射分区，绘制每个出射分区的外边界光线和内边界光线，并计算每个出射分区所包络的发光环带的能量；
步骤S6、根据能量守恒定律，确定每个出射分区在目标辐照面上对应的区域，使得每个出射分区所包络的发光环带的能量与目标辐照面上对应区域所包络的环带具有相等的能量；然后绘制每个区域的内边界落点、外边界落点，其中，外边界落点对应于出射分区的外边界光线，内边界落点对应于出射分区的内边界光线；
步骤S7、根据光学系统所确定的F#数以及目标辐照面的外边缘位置，确定光源的外边缘光线所对应的自由曲面反射镜大开口的大小，使得自由曲面聚光反射镜的F#与系统F#相匹配；
步骤S8、设计自由曲面反射镜的母线，使得每个分区的外边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的外边界落点，内边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的内边界落点；在此过程中，不仅需要保证各分区的母线具有光滑连续性，还要保证各相邻分区的母线连接处具有至少二阶连续性；
步骤S9、将所设计的自由曲面母线绕光轴旋转一周，即获得自由曲面反射镜的加工面型。
本发明的有益效果是：本发明提供的自由曲面聚光反射镜能够精确控制光线走向，在第二焦面处形成与光学系统匹配F#数、大小与光学积分器匹配、均匀的弥散斑，能够有效的提升光学系统输出的均匀性；另外，本发明提供的自由曲面反射聚光镜至少具有二阶连续性，相对于传统聚光镜，加工成本提升较少，经济性好。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为自由曲面聚光镜的设计布局图。
图3为本发明实施例中光源的出射分区示意图。
图4为本发明实施例中边界落点的示意图。
图5为实施例中自由曲面反射镜光线走向及其对应母线图。
图6为椭球聚光反射镜第二焦点处的仿真和实测能量分布曲线图。
图中：1、光源，2、内边缘光线，3、外边缘光线，4、目标辐照面，5、光轴，6、光线A，7、光线B，8、光线C，9、光线D，10、落点R，11、落点A，12、落点B，13、落点C，14、落点D，15、落点S，16、自由曲面母线。
具体实施方式
下面将结合本说明书附图以及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动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。
一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，具体实现步骤如下：
步骤S1、根据系统要求确定光学系统的F#数；
步骤S2、确定光学积分器大小，即确定聚光反射镜需要在第二焦面处形成弥散斑的大小；光学积分器大小可根据工作距离、准直角度或其他系统要求的参数确定；
步骤S3、确定光源与第二焦面的距离，根据光源的配光曲线，确定光源的发光角度；
步骤S4、根据步骤S2和步骤S3所确定的参数，构建整体设计布局，绘制光路图，确定光源的内边缘光线、外边缘光线以及目标辐照面和光轴，其中，目标辐照面由步骤S2中确定的光学积分器入光口大小确定；
本发明的实施例1如图2所示，光路图主要由光源1、内边缘光线2、外边缘光线3、目标辐照面4和光轴5组成，目标辐照面4由步骤S2中确定的光学积分器入光口大小确定，这里为了更为清楚的展示本发明整体设计步骤，将目标辐照面放大至能够清楚展示；
步骤S5、根据光源的配光曲线，将光源的内边缘光线和外边缘光线所包络的光源发光区间分为多个出射分区，绘制每个出射分区的外边界光线和内边界光线，并计算每个出射分区所包络的发光环带的能量；
在本发明的实施例1中，如图3所示，根据光源1的配光曲线，将内边缘光线2和外边缘光线3所包络的光源发光区间分为五个出射分区，其中，对于第一个出射分区，内边界光线为内边缘光线2，外边界光线为光线A6；对于第二个出射分区，内边界光线为光线A6，外边界光线为光线B7；对于第三个出射分区，内边界光线为光线B7，外边界光线为光线C8；对于第四个出射分区，内边界光线为光线C8，外边界光线为光线D9；对于第五个出射分区，内边界光线为光线D9，外边界光线为外边缘光线3；由于光源1发光为旋转对称式的，则各光线之间所包络发光环带的总能量，如光线B7和C8之间经光轴旋转所形成的发光环带能量即可计算获得；
步骤S6、根据能量守恒定律，确定每个出射分区在目标辐照面上对应的区域，使得每个出射分区所包络的发光环带的能量与目标辐照面上对应区域所包络的环带具有相等的能量；然后绘制每个区域的内边界落点、外边界落点，其中，外边界落点对应于出射分区的外边界光线，内边界落点对应于出射分区的内边界光线；
在本发明的实施例1中，如图4所示，第一个出射分区在目标辐照面4上对应的区域为落点R10与落点A11之间的区域，那么，该区域的内边界落点即为落点R10，外边界落点即为落点A11，根据能量守恒定律，第一个出射分区所包络的发光环带的能量与落点R10、落点A11之间的区域所包络的环带能量相等；
第一个出射分区所包络的发光环带为内边缘光线2与光线A6围绕光轴5旋转一周后所形成的环形区域；落点R10、落点A11之间的区域所包络的环带为与落点R10、落点A11之间的区域围绕光轴5旋转一周后所形成的环带；
在本发明的实施例1中，第二个出射分区在目标辐照面4上对应的区域为落点A11与落点B12之间的区域，该区域的内边界落点即为落点A11，外边界落点即为落点B12；
依次类推，第三个出射分区在目标辐照面4上对应的区域为落点B12与落点C13之间的区域，该区域的内边界落点为落点B12，外边界落点即为落点C13；第四个出射分区在目标辐照面4上对应的区域为落点C13与落点D14之间的区域，该区域的内边界落点为落点C13，外边界落点为落点D14；第五个出射分区在目标辐照面4上对应的区域为落点D14与落点E15之间的区域，该区域的内边界落点即为落点D14，外边界落点即为落点S15；
步骤S7、根据光学系统所确定的F#数，目标辐照面4的边缘位置，确定边缘光线3所对应的自由曲面反射镜大开口的大小，使得自由曲面聚光反射镜的F#与系统F#相匹配；
步骤S8、设计自由曲面反射镜的母线，使得每个分区的外边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的外边界落点，内边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的内边界落点；
在本发明的实施例1中，如图5所示，根据各条光线出射方向和对应的落点位置、以及外边缘光线3对应的自由曲面聚光反射镜的大开口数据，即可设计自由曲面反射镜的母线，使得各出射光线经自由曲面反射镜后，到达对应的落点，如内边缘光线2经自由曲面反射镜反射后，到达目标落点R10，光线B7经自由曲面反射镜反射后，到达目标落点B13；在此过程中，不仅需要保证各段母线具有光滑连续性，还需要保证相邻出射区域交点处的母线具有二阶连续性，如第一分区母线结束，即第一分区外边界光线A6与母线交点处和第二分区母线的开始，即第二分区内边界光线A6与母线交点处，两段母线连接处具有至少二阶连续性；
步骤S9、将所设计的自由曲面母线16绕光轴旋转一周，即可获得自由曲面反射镜的加工面型，至此，完成设计。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (1)

1.一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤S1、根据系统要求确定光学系统的F#数；
步骤S2、确定光学积分器大小，即确定聚光反射镜需要在第二焦面处形成弥散斑的大小；
步骤S3、确定光源与第二焦面的距离，根据光源的配光曲线，确定光源的发光角度；
步骤S4、根据步骤S2和步骤S3所确定的参数，构建整体设计布局，绘制光路图，确定光源的内边缘光线、外边缘光线以及目标辐照面和光轴，其中，目标辐照面由步骤S2中确定的光学积分器入光口大小确定；
步骤S5、根据光源的配光曲线，将光源的内边缘光线和外边缘光线所包络的光源发光区间分为多个出射分区，绘制每个出射分区的外边界光线和内边界光线，并计算每个出射分区所包络的发光环带的能量；
步骤S6、根据能量守恒定律，确定每个出射分区在目标辐照面上对应的区域，使得每个出射分区所包络的发光环带的能量与目标辐照面上对应区域所包络的环带具有相等的能量；然后绘制每个区域的内边界落点、外边界落点，其中，外边界落点对应于出射分区的外边界光线，内边界落点对应于出射分区的内边界光线；
步骤S7、根据光学系统所确定的F#数以及目标辐照面的外边缘位置，确定光源的外边缘光线所对应的自由曲面反射镜大开口的大小，使得自由曲面聚光反射镜的F#与系统F#相匹配；
步骤S8、设计自由曲面反射镜的母线，使得每个分区的外边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的外边界落点，内边界光线经由自由曲面反射镜后均到达与其对应的内边界落点；在此过程中，不仅需要保证各分区的母线具有光滑连续性，还要保证各相邻分区的母线连接处具有至少二阶连续性；
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