[發(fā)明專利]一種具有魯棒性的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110659690.1
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113325576B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇榮華;孫云厚;王吉軍;王雪明;楊櫟;雷永輝;張謙;顧國超;秦凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院;江蘇宇鵬新材料科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 洛陽潤誠慧創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41153
• 代理人: 李團(tuán)勝

本發(fā)明提供一種具有魯棒性的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明將光源出射范圍進(jìn)行分區(qū)，在設(shè)計(jì)中保證各分區(qū)分別在目標(biāo)面上形成均勻的分布，并進(jìn)行疊加，這種設(shè)計(jì)方法能夠有效的降低加工誤差和光源數(shù)據(jù)不一致的情況對輻照輸出的影響，提升系統(tǒng)魯棒性；另外，保留了自由曲面母線的一階連續(xù)性，幾乎不提升加工難度提升整體系統(tǒng)的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非成像光學(xué)及照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，具體是一種具有魯棒性的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

相對于傳統(tǒng)光學(xué)元件，自由曲面光學(xué)元件因其具有更高的設(shè)計(jì)自由度在非成像光學(xué)系統(tǒng)及照明技術(shù)領(lǐng)域中擁有巨大的應(yīng)用潛力，因其能夠精確的調(diào)控光線的走向，實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)難以達(dá)到的輻照輸出，也獲得了越來越多的應(yīng)用。

將自由曲面應(yīng)用于照明光學(xué)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)非常多具有定制特性的輻照輸出，但在常規(guī)應(yīng)用中，通常需要實(shí)現(xiàn)的是均勻輻照輸出。對于自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是根據(jù)光源的出光分布和預(yù)期輻照輸出分布，設(shè)計(jì)自由曲面，充分利用光源出射能量，并根據(jù)能量守恒原理，精確調(diào)控光線走向，使其落在目標(biāo)輻照面的合理位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的輻照輸出效果。文章“陳家奇，顧國超. 利用映射法構(gòu)造自由曲面反射鏡[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013, 36(6):1-5”提供了一種典型的實(shí)現(xiàn)均勻輻照輸出的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法假定光源為點(diǎn)光源，設(shè)計(jì)計(jì)算基于光源出光的能量分布展開，根據(jù)能量守恒定律確定光源出射光線與目標(biāo)面落點(diǎn)之間的映射關(guān)系，沒有其他的勻光手段，若光源實(shí)際出光和設(shè)計(jì)中所用的數(shù)據(jù)有所出入，則輻照輸出效果難以保證，整體設(shè)計(jì)魯棒性不強(qiáng)。另外，該方法的不足之處在于自由曲面的加工，由于整體系統(tǒng)缺少離散和積分的勻光系統(tǒng)，自由曲面參數(shù)的微小變化就可能導(dǎo)致輻照面上均勻性的較大的改變，因此對其加工提出了更高的要求。

在太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中，起到勻光作用的關(guān)鍵部件為光學(xué)積分器。文章“劉石,張國玉, 孫高飛, 等. 太陽模擬器用光學(xué)積分器設(shè)計(jì)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2013, 42(4):467-470.”中描述光學(xué)系統(tǒng)勻光原理為：氙燈光源經(jīng)橢球面反射鏡反射到場鏡組通光口徑內(nèi)形成的照度分布，經(jīng)場鏡元素透鏡分割，投影鏡元素透鏡成像，然后由附加鏡Ⅱ再疊加成像，最后通過準(zhǔn)直物鏡傳遞到最佳輻照平面上，從而實(shí)現(xiàn)了均勻照明。根據(jù)上述的描述，太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)之所以能夠有均勻的輻照輸出，關(guān)鍵在于光學(xué)積分器，其勻光原理就在于對光源出射能量進(jìn)行微分(分割)和積分(疊加)的過程，這種微分的過程能夠?qū)⑤敵鲚椪彰孑椪諒?qiáng)度相差大的區(qū)域分割成為輻照強(qiáng)度相差較小的區(qū)域，通過對應(yīng)元素透鏡形成的光學(xué)通道，成像到輻照面處并進(jìn)行疊加平均，最終形成均勻的輻照輸出。

發(fā)明內(nèi)容

為了提升常規(guī)自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，本發(fā)明的目的是提出一種具有魯棒性的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，本方法將太陽模擬器光學(xué)積分器的勻光原理引入到自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在原有勻光輻照輸出設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加另一個(gè)維度的勻光手段，提升整體系統(tǒng)的魯棒性；另一方面，至少保持自由曲面的一階連續(xù)性，不增加自由曲面的加工難度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種具有魯棒性的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一、確定自由曲面光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，配置光源、自由曲面和目標(biāo)輻照面在光學(xué)系統(tǒng)中的位置，選定光線傳輸方式；

步驟二、根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定點(diǎn)光源、目標(biāo)輻照面和光軸，以及根據(jù)設(shè)計(jì)所確定使用的光源出光范圍，確定光源出光范圍的邊緣光線；

步驟三、將光源出光范圍劃分為N個(gè)一級分區(qū)，每個(gè)一級分區(qū)確定其相對于目標(biāo)輻照面的邊緣光線，每個(gè)一級分區(qū)的邊緣光線經(jīng)自由曲面反射鏡反射后，對應(yīng)到達(dá)目標(biāo)輻照面的兩個(gè)邊界上；

步驟四、使用映射法構(gòu)建每個(gè)一級分區(qū)的反射鏡面母線，使每個(gè)一級分區(qū)在目標(biāo)輻照面上分別形成均勻的輻照面；映射法構(gòu)建一個(gè)一級分區(qū)的反射鏡面母線的具體步驟如下：