CN113568166A - 一种变曲率光学积分器的设计方法 - Google Patents

一种变曲率光学积分器的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种变曲率光学积分器的设计方法，涉及光学仪器设计技术领域，能够在保证辐照度达到一个太阳常数时，提高输出光斑边缘能量，提升辐照均匀性。包括以下步骤：根据菲涅耳数确定积分器通道口径和数目；利用菲涅耳衍射公式建立变曲率光学积分器二维平面的数学模型，并推导出工作面上的光强分布数学函数，确定各圈子眼透镜焦距；积分器场镜组后表面采用非球面设计，消除旁瓣效应，提高成像质量。本发明的一种变曲率光学积分器安装方便，在保证辐照度达到一个太阳常数下，提高输出光斑边缘能量，提升辐照均匀性。

Description

一种变曲率光学积分器的设计方法
技术领域
本发明涉及光学仪器设计技术领域，涉及一种具有提高输出光斑边缘能量功能的变曲率光学积分器的设计方法，可提高输出光斑边缘辐照能量，提升辐照均匀性。
背景技术
太阳模拟器作为一种模拟太阳光辐射特性的测试设备，广泛应用于航天、太阳能利用等领域。光学积分器作为太阳模拟器中的重要匀光器件，将聚光镜收集、汇聚形成的高斯辐射分布进行分割与叠加，输出辐照均匀一致的光斑，对提高太阳模拟器性能起着重要作用。
目前，紧凑型光学积分器通过增加光束通过路径的长度提高光束的均匀性，但结构过大，装调不便；集束型光学积分器保证了光轴一致性，有效避免了旁瓣效应，但无法补偿边缘光线，光斑边缘辐照均匀性差，出瞳式光学积分器，防止叠加成像模糊，但更加影响边缘辐照均匀性；对称式光学积分器采用边缘透镜，扩大积分器口径，投影镜组离焦等来补偿辐照面边缘均匀性的方法，但光能损耗率高且装调难度大。上述光学积分器每个小透镜焦距相同，导致输出光斑边缘辐照能量低，设计上没有考虑提高积分器工作面处的边缘辐射能量，未考虑使积分器焦距不同的设计思想。
而随着太阳能的利用与开发，需要提高太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量，提升辐照面整体均匀性，当前技术水平不能够满足实际需求。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供了一种具有提高输出光斑边缘能量功能的变曲率光学积分器的设计方法，能够在保证辐照度达到一个太阳常数时，提高输出光斑边缘能量，提升辐照均匀性。
一种变曲率光学积分器的设计方法，由以下步骤实现：
步骤一、确定变曲率光学积分器的安装位置以及通道口径和数目；
步骤二、确定变曲率光学积分器各圈子眼透镜的焦距；
建立二维平面的变曲率光学积分器的各圈子眼透镜数学模型，然后推导所述变曲率光学积分器工作面上的光强分布数学函数，并根据各圈子眼透镜划分矩形环带，获得各圈子眼透镜能量及起始光波复振幅分布；然后根据有效辐照面积和边缘区域，获得其他圈子眼透镜的辐照面积；最后确定变曲率光学积分器的焦距；
步骤三、对所述变曲率光学积分器的场镜组各圈子眼透镜后表面进行优化；具体为：
在Zemax软件中将场镜组各圈子眼透镜后表面设置为偶次非球面，并对所述偶次非球面二次圆锥系数进行优化，消除光学系统中的成像杂散光，完成变曲率光学积分器的设计。
本发明的有益效果：采用本发明方法设计的具有提高输出光斑边缘能量功能的变曲率光学积分器，在保证辐照度达到一个太阳常数的情况下，能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高，对提高太阳模拟器的性能具有一定的借鉴意义。提高太阳模拟器性能具有非常积极的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种变曲率光学积分器的设计方法中积分器的安装位置示意图；
图2为本发明提供的积分器结构图；
图3为本发明提供的积分器工作原理图；
图4为本发明提供的积分器通道数目与能量利用率关系图；
图5为本发明提供的积分器通道数目与辐照均匀性关系图；
图6为本发明提供的积分器透镜阵列平面图；
图7中(a)和(b)分别为本发明提供的积分器中心子眼透镜优化前后光路图；
图8中(a)和(b)分别为本发明提供的积分器中心子眼透镜优化前后点列图；
图中，1、积分器，2、椭球聚光镜，3、氙灯，4、准直透镜，5、辐照面，6、准直透镜，7、场镜组，8、中心子眼透镜(非球面)，9、投影镜组，10、聚焦透镜。
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。
本实施方式提供一种变曲率光学积分器的设计方法，包括具体以下步骤：
S1、变曲率光学积分器1每个小透镜设计为正方形棱柱透镜，场镜组7为25个不同厚度的小透镜，投影镜组9为25个等厚度的小透镜，各圈子眼透镜按中心对称排列，同圈子眼透镜焦距相等，厚度相等，不同圈子眼透镜焦距不等，厚度不等，积分器结构图参见图2；
S2、确定变曲率光学积分器1的安装位置，变曲率光学积分器1入瞳置于椭球聚光镜2的第二焦面处，变曲率光学积分器1出瞳置于准直透镜4的物方焦平面前1mm处，参见图1；利用菲涅耳数评价衍射效应，设计菲涅耳数大于500的积分器1，并根据辐照均匀性和能量利用率确定通道口径和数目；
菲涅耳数定义为：
Figure BDA0003207822600000031
式中，OPD为光程差，r为子眼透镜口径的半径，λ为入射光波长，L为工作距离。
以中心子眼透镜8为例，假设平行光波入射，聚焦透镜焦距为fF，辐照面积为S0，积分器1口径为D，子眼透镜口径为D0，径向通道数为m，将
Figure BDA0003207822600000032
Figure BDA0003207822600000033
代入上式，则积分器1与菲涅耳数关系的计算公式如下：
Figure BDA0003207822600000034
令FN大于500，fF和S0不变，取D＝35.5mm，S0＝200mm，fF＝800mm，λ＝770nm，代入上式得D0＞3.12mm，因m＝D/D0，即m＜11.378。设ν为能量利用率，积分器能量利用率公式为：
Figure BDA0003207822600000041
建立3×3，4×4，5×5，6×6，7×7等5种透镜阵列模型，根据上式可得通道数目与能量利用率的关系，参见图4。再仿真比较辐照面积Φ200下，通道数目与不均匀性的关系，参见图5。综上取值m＝5为最佳值。则积分器1通道数目为25，D0＝7.1mm(场镜组与投影镜组相同)，FN最小值为576.3，设计参数表示在表1中。
表1
积分器1名称 变曲率光学积分器
透镜口径/(mm) 7.1
径向通道数 5
通道数目 25
辐照面积/(mm) 200
菲涅耳数最小值 576.3
S3、建立二维平面的积分器1各圈子眼透镜数学模型，推导积分器工作面上的光强分布数学函数，根据各圈子眼透镜划分矩形环带，即可知各圈子眼透镜能量，获得起始光波复振幅分布；根据有效辐照面积和边缘区域，得出其他圈子眼透镜的辐照面积，最后确定积分器1的焦距；
首先将积分器1各圈子眼透镜划为若干矩形环带，参见图6，在透镜阵列平面区域建立坐标系xoy，rm,n为每个透镜编号，M和N为沿x轴和y轴的透镜个数。以中心子眼透镜8为例，中心子眼透镜8的函数R1(xa,ya)公式为：
R1(xa,ya)＝r3,3+…+rM-2,N-2
中心子眼透镜8的复振幅透过率函数t1(x,y)公式为：
Figure BDA0003207822600000042
式中：δ(xa-mD0,ya-nD0)为脉冲函数，
Figure BDA0003207822600000051
为孔径函数。
菲涅耳衍射公式为：
Figure BDA0003207822600000052
式中：i为虚数单位，k为光波的波数，z为波传输路径的长度，x，y为起始坐标，x1，y1为终点坐标。
理想情况下，假设波长为λ的平面波复振幅分布为E0(x,y)，光波入射到光学积分器场镜组A1后，宽光波被场镜组A1分割为细光波，汇聚入射到投影镜组A2积分成像，传输距离为f0，光波再入射到聚焦透镜A2成像，传输距离为L1，最后在工作面上形成复振幅图像，传输距离为L2，参见图3，得到光波复振幅分布为：
Figure BDA0003207822600000053
则S0上的光强分布数学函数为：
Figure BDA0003207822600000054
同理，建立另外两圈子眼透镜的数学模型，并推导出工作面上的光强分布数学函数。已知光学系统中氙灯为5000W额定功率，氙灯光源3在椭球聚光镜2第二焦面处的光斑面积为35mm，根据每圈子眼透镜划分矩形环带，中心子眼透镜能量为1579.5W，第二圈子眼透镜能量为1060.5W，最外圈子眼透镜能量为610W，即可知各圈子眼透镜的起始光波复振幅分布，已知S2＝200mm，ΔS2＝3.55mm，根据S1＝S2+2ΔS2，S0＝S2+4ΔS2，则可知S1＝207.1mm，S0＝214.2mm，将以上各式由Matlab软件编程，代入以上数据计算，焦距结果(场镜组和透镜镜组相同)表示在表2中。
表2
透镜名称 中心子眼透镜 第二圈子眼透镜 最外圈子眼透镜
焦距值/(mm) 26.4mm 27.4mm 28.4mm
S4、在Zemax软件中将场镜组各圈子眼透镜后表面设置为偶次非球面，对所述偶次非球面二次圆锥系数进行优化，消除光学系统中的成像杂散光(球差)，得到积分器优化结果，完成所述积分器的设计。
以中心子眼透镜为例，首先在Zemax软件中输入初始参数，设置多个视场角，材料选为JGS3，输入透镜的结构参数表示在表3中。
表3
Figure BDA0003207822600000061
将透镜后表面设置为偶次非球面进行优化，优化变量为二次圆锥系数，优化前后光路图和点列图参见图7和图8，优化结果表示在表4中。
表4
透镜名称 中心子眼透镜 第二圈子眼透镜 最外圈子眼透镜
透镜数量 1 8 16
口径/(mm) 7.1 7.1 7.1
曲率/(mm) 12.10 12.56 13.02
厚度/(mm) 5 4 3
二次圆锥系数 -2.231 -2.335 -2.430
结合图2说明本实施方式，图2为采用本实施方式的方法设计的一种具有提高输出光斑边缘能量功能的太阳模拟器变曲率光学积分器结构图，变曲率光学积分器透镜后表面采用非球面设计，有效消除旁瓣效应，提高成像质量，辐照面整体均匀性显著提升，对提高太阳模拟器的性能具有一定的借鉴意义。
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 (7)

1.一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定变曲率光学积分器的安装位置以及通道口径和数目；
步骤二、确定变曲率光学积分器各圈子眼透镜的焦距；具体为：
建立二维平面的变曲率光学积分器的各圈子眼透镜数学模型，然后推导所述变曲率光学积分器工作面上的光强分布数学函数，并根据各圈子眼透镜划分矩形环带，获得各圈子眼透镜能量及起始光波复振幅分布；然后根据有效辐照面积和边缘区域，获得其他圈子眼透镜的辐照面积；最后确定变曲率光学积分器的焦距；
步骤三、对所述变曲率光学积分器的场镜组各圈子眼透镜后表面进行优化；具体为：
在Zemax软件中将场镜组各圈子眼透镜后表面设置为偶次非球面，并对所述偶次非球面二次圆锥系数进行优化，消除光学系统中的成像杂散光，完成变曲率光学积分器的设计。
2.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤一中，将所述变曲率光学积分器置于氙灯光源太阳模拟器的椭球聚光镜与准直透镜之间，引入菲涅耳数定量评价衍射效应，设计菲涅耳数大于500的积分器，综合辐照均匀性和光能利用率公式，最后确定通道口径和数目。
3.根据权利要求2所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：所述变曲率光学积分器入瞳置于椭球聚光镜的第二焦面处，出瞳置于准直透镜的物方焦平面的前1mm处；菲涅耳数定义为：
Figure FDA0003207822590000011
式中，OPD为光程差，r为子眼透镜口径的半径，λ为入射光波长，L为工作距离；
设定入射平行光波，聚焦透镜焦距为fF，辐照面积为S0，积分器口径为D，子眼透镜口径为D0，径向通道数为m，将
Figure FDA0003207822590000012
代入所述菲涅耳数的公式，则积分器与菲涅耳数关系的计算公式为：
Figure FDA0003207822590000021
式中，f0为传输距离。
4.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤二中，将积分器各圈子眼透镜划为若干矩形环带，在透镜阵列平面区域建立坐标系xoy，rm,n为子眼透镜编号，M和N为沿x轴和y轴的透镜个数；设定中心子眼透镜的函数R1(xa,ya)为：
R1(xa,ya)＝r3,3+…+rM-2,N-2
中心子眼透镜的复振幅透过率函数t1(x,y)为：
Figure FDA0003207822590000022
式中，i为虚数单位，k为光波的波数，δ(xa-mD0,ya-nD0)为脉冲函数，xa和xb为中心子眼透镜的编号，
Figure FDA0003207822590000023
为孔径函数；
菲涅耳衍射公式为：
Figure FDA0003207822590000024
式中，z为光波传输路径的长度，x，y为起始坐标，x1，y1为终点坐标；
设定波长为λ的平面波复振幅分布为E0(x,y)，光波入射到光学积分器场镜组后，宽光波被场镜组分割为细光波，汇聚入射到投影镜组积分成像，传输距离为f0；光波再入射到聚焦透镜成像，传输距离为L1；最后在工作面上形成复振幅图像，传输距离为L2，得到光波复振幅分布；再推导出S0上的光强分布数学函数。
5.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤一中，还包括通道数目对辐照均匀性和能量利用率的影响；
设定ν为能量利用率，变曲率光学积分器能量利用率公式为：
Figure FDA0003207822590000031
根据上式可得通道数目与能量利用率的关系。
6.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：还包括设计各圈子眼透镜的辐照面积；
设定各圈子眼透镜辐照面积分别为S0，S1和S2，边缘区域的矩形环带分别为ΔS0，ΔS1和ΔS2；设定ΔS1＝ΔS2，ΔS0＝2ΔS2，则各圈子眼透镜辐照面积计算公式为：
S1＝S2+2ΔS2，S0＝S2+4ΔS2。
7.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：所述变曲率光学积分器的各圈子眼透镜焦距不同。
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