CN117666057A - 一种高辐照大口径匀光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明通过对场镜框进行了光学、热和结构的一体化仿真优化分析，提出了一种高辐照大口径匀光装置，基于多通道微细水冷槽热设计结构，辅以迎光面冷却遮挡弯管冷却等，完成了大型辐照系统的光机热一体化设计，国内首次攻克了超高辐照环境下匀光装置的光、机、热难题。该匀光装置的有效通光口径700mm，是目前国内口径最大的。匀光装置入口处的最高辐照度达到857个太阳常数，属于超高辐照度类型。本发明解决了高辐照大口径匀光装置的光、机、热难题。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，具体涉及一种高辐照大口径匀光装置。
背景技术
辐照系统中的匀光装置包括两组镜组，场镜组和投影镜组，分别由通光口径相同的一定数量的单元镜按中心对称的方式排列组成。对于中小型的匀光装置可以采用在平镜上通过光胶粘贴小单元镜的方式来实现，这种光胶的形式一般适用于通光口径小于300mm的匀光装置。而对于通光口径大于300mm的匀光装置，无法采用光胶形式，只能采用蜂窝形状的镜框，将单元镜安装在蜂窝中的方式。无法采用光胶的原因：一、受工艺所限没法采用光胶形式；二、大口径上的高热量可能会使单元镜脱落，
而大型辐照系统中，匀光装置通光口径通常接近700mm，场镜入口处最高辐照度可达857个太阳常数(1个太阳常数为1353W/m2)。由于场镜组处于辐照光学系统中迎光位置，热负荷集中，容易造成结构剧烈变形、光学性能受损、机构剧烈受热损坏。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明通过对场镜框进行了光学、热和结构的一体化仿真优化分析，提供了一种高辐照大口径匀光装置，攻克了超高辐照环境下匀光装置的光、机、热难题。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
本发明提供一种高辐照大口径匀光装置，包括场镜组，所述场镜组包括场镜框，所述场镜框上设置有若干光学通道，其中，在所述场镜框的背光面上设置走向一致的若干微细水冷槽，所述微细水冷槽位于所述光学通道之间，用于通冷却水对于场镜框进行冷却；每个所述光学通道的迎光侧安装有单元镜，在所述场镜框的迎光面上设置有若干走向一致的迎光遮挡弯管，内部通冷却水对迎光遮挡弯管进行冷却，通过遮挡降低场镜框上的热负荷。
进一步地，所述微细水冷槽与所述迎光遮挡弯管在所述场镜框所在平面上的投影存在夹角。
进一步地，所述夹角为45°，可以冷却场镜框上不同位置的热负荷。
进一步地，所述迎光遮挡弯管的两端用固定块固定在场镜镜框上。
进一步地，所述微细水冷槽为8条，所述迎光遮挡弯管为4条。
进一步地，所述迎光遮挡弯管表面镀金反射膜。
进一步地，所述迎光遮挡弯管外径5mm，内径3mm，材料为LF6合金。
进一步地，所述光学通道之间的间隙为5mm。
进一步地，所述微细水冷槽的深度不超过所述场镜框厚度的一半。
进一步地，所述微细水冷槽的截面尺寸为2.3mm宽X18.5mm深。
本发明的有益效果是：
本发明通过在场镜框背面开设微细水冷槽并通入冷却水的方式，提高了场镜框的冷却能力；进一步通过迎光面遮挡弯管，辅助提升冷却效果；
在一些实施例中，本发明通过将微细水冷槽和迎光面遮挡弯管之间设置为存在夹角，扩大有效冷却面积，可以冷却场镜框上不同位置的热负荷。
附图说明
图1是本发明实施例中场镜框入口处的热流密度图；
图2是本发明实施例中场镜框背光面示意图；
图3是本发明实施例中微细水冷槽局部放大图；
图4是本发明实施例中场镜框迎光面示意图；
图5是本发明实施例中无迎光遮挡弯管时场镜镜框温度分布图；
图6是本发明实施例中有迎光遮挡弯管时场镜镜框温度分布图。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。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。
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据仿真计算，场镜框入口处的热流密度如图1所示，温度由中心向四周逐渐降低，呈高斯分布。从图中可以看出场镜框中心位置的辐照度最高，为857个太阳常数(1个太阳常数为1353W/m2)。
在本发明实施例中，场镜框的设计兼顾了光、机、热的一体化设计。场镜框要实现光学镜的机械支撑，形成光路，达到匀光装置主要目的。其次，要解决高热负荷带来的散热问题，通过水冷却方式保证光机结构的稳定，进而保证光路的稳定。
首先，从图1可以看出场镜入口处中心位置的辐照度最高，呈高斯分布往周边递减。若通光孔之间的间隙越小，匀光装置的孔径利用率越高。但是通光孔之间间隙越小，镜框上没有可以加工微细水冷槽的空间，镜框上的热负荷便不能很好地冷却，会造成镜框温度过高，引起镜框变形，从而造成匀光装置光学性能受损。
通过建立镜框模型，进行光、机、热一体化仿真分析，最终确定光学通道之间的间隙为5mm，微细水冷槽的深度不超过场镜框厚度的一半，在一个优选实施例中，微细水冷槽的截面尺寸为2.3mm(宽)X18.5mm(深)，此时微细水冷槽的最薄壁的地方壁厚为1.35mm。在800mmX800mm的场镜框的背光面上共有8条微细水冷槽，用于通冷却水对于场镜框进行冷却，如图2和图3所示。
其次，场镜框的迎光面上，在单元镜的间隙间安装迎光遮挡弯管，弯管外径5mm，内径3mm，材料为LF6，内部通冷却水对迎光遮挡弯管进行冷却。通过迎光遮挡弯管的遮挡降低场镜镜框上的热负荷，通过计算，迎光遮挡弯管遮挡了场镜镜框上40％的热负荷，有效降低了场镜镜框上的冷却压力。遮挡弯管采用机器弯制而成，从单元镜的间隙经过，不挡光，不影响最终的辐照度及辐照均匀性。遮挡弯管的两端用固定块固定在场镜镜框上。遮挡弯管表面镀金反射膜，用于提高遮挡弯管表面的反射率。同时，微细水冷槽的水流方向为垂直方向，而迎光遮挡弯管的方向为倾斜45°方向，可以冷却场镜框上不同位置的热负荷。
由图5和图6可以看出，通过添加迎光遮挡弯管，场镜镜框的中心最高温度由121℃下降到83.9℃，图中，温度由中心向四周逐渐降低，匀光装置场镜框通过迎光遮挡弯管的主动散热方式和多通道微细水冷槽的被动散热方式，成功解决了匀光装置场镜镜框的光、机、热问题。
在一个实施例中，将匀光装置接入光学系统，8条微细水冷槽和4条迎光遮挡弯管接入冷却系统，每条管路上都装有流量计，可以随时监测每条水路的流量，能够及时发现由于其它原因造成的管路堵塞情况。
在大型辐照系统的光学装校过程中，根据装调结果，整体移动或调节匀光装置，确保匀光装置处于大型辐照系统的正确的位置。
随着大口径的高辐照系统越来越多，大口径的匀光装置也将越来越多，因此，本结构具有广阔的应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。
必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高辐照大口径匀光装置，包括场镜组，其特征在于，所述场镜组包括场镜框，所述场镜框上设置有若干光学通道，其中，在所述场镜框的背光面上设置走向一致的若干微细水冷槽，所述微细水冷槽位于所述光学通道之间，用于通冷却水对于场镜框进行冷却；每个所述光学通道的迎光侧安装有单元镜，在所述场镜框的迎光面上设置有若干走向一致的迎光遮挡弯管，内部通冷却水对迎光遮挡弯管进行冷却，通过遮挡降低场镜框上的热负荷。
2.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述微细水冷槽与所述迎光遮挡弯管在所述场镜框所在平面上的投影存在夹角。
3.根据权利要求2所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述夹角为45°，可以冷却场镜框上不同位置的热负荷。
4.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述迎光遮挡弯管的两端用固定块固定在场镜镜框上。
5.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述微细水冷槽为8条，所述迎光遮挡弯管为4条。
6.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述迎光遮挡弯管表面镀金反射膜。
7.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述迎光遮挡弯管外径5mm，内径3mm，材料为LF6合金。
8.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述光学通道之间的间隙为5mm。
9.根据权利要求1所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述微细水冷槽的深度不超过所述场镜框厚度的一半。
10.根据权利要求9所述的高辐照大口径匀光装置，其特征在于，所述微细水冷槽的截面尺寸为2.3mm宽X18.5mm深。
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