[發(fā)明專利]一種變曲率光學(xué)積分器的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110922234.1
• 申請日: 2021-08-12
• 公開（公告）號: CN113568166B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇拾;彭浩文;張國玉;孫高飛;劉石;張健;徐達;楊松洲;孟瑤;孟凡琳
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 朱紅玲

1.一種太陽模擬器用變曲率光學(xué)積分器的設(shè)計方法，其特征是：該方法由以下步驟實現(xiàn)：

步驟一、確定變曲率光學(xué)積分器的安裝位置以及通道口徑和數(shù)目；具體為：

將所述變曲率光學(xué)積分器置于氙燈光源太陽模擬器的橢球聚光鏡與準直透鏡之間，引入菲涅耳數(shù)定量評價衍射效應(yīng)，設(shè)計菲涅耳數(shù)大于500的積分器，綜合輻照均勻性和光能利用率公式，最后確定通道口徑和數(shù)目；

所述變曲率光學(xué)積分器入瞳置于橢球聚光鏡的第二焦面處，出瞳置于準直透鏡的物方焦平面的前1mm處；菲涅耳數(shù)定義為：

式中，OPD為光程差，r為子眼透鏡口徑的半徑，λ為入射光波長，L為工作距離；

設(shè)定入射平行光波，聚焦透鏡焦距為f_F，輻照面積為S₀，積分器口徑為D，子眼透鏡口徑為D₀，徑向通道數(shù)為m，將代入所述菲涅耳數(shù)的公式，則積分器與菲涅耳數(shù)關(guān)系的計算公式為：

式中，f₀為傳輸距離；

步驟二、確定變曲率光學(xué)積分器各圈子眼透鏡的焦距；具體為：

建立二維平面的變曲率光學(xué)積分器的各圈子眼透鏡數(shù)學(xué)模型，然后推導(dǎo)所述變曲率光學(xué)積分器工作面上的光強分布數(shù)學(xué)函數(shù)，并根據(jù)各圈子眼透鏡劃分矩形環(huán)帶，獲得各圈子眼透鏡能量及起始光波復(fù)振幅分布；然后根據(jù)有效輻照面積和邊緣區(qū)域，獲得其他圈子眼透鏡的輻照面積；最后確定變曲率光學(xué)積分器的焦距；

本步驟中，將積分器各圈子眼透鏡劃為若干矩形環(huán)帶，在透鏡陣列平面區(qū)域建立坐標系xoy，r_m,n為子眼透鏡編號，M和N為沿x軸和y軸的透鏡個數(shù)；設(shè)定中心子眼透鏡的函數(shù)R₁(x_a,y_a)為：

R₁(x_a,y_a)＝r_3,3+…+r_M-2,N-2

中心子眼透鏡的復(fù)振幅透過率函數(shù)t₁(x,y)為：

式中，i為虛數(shù)單位，k為光波的波數(shù)，δ(x_a-mD₀,y_a-nD₀)為脈沖函數(shù)，x_a和x_b為中心子眼透鏡的編號，為孔徑函數(shù)

菲涅耳衍射公式為：

式中，z為光波傳輸路徑的長度，x，y為起始坐標，x₁，y₁為終點坐標；

設(shè)定波長為λ的平面波復(fù)振幅分布為E₀(x,y)，光波入射到光學(xué)積分器場鏡組后，寬光波被場鏡組分割為細光波，匯聚入射到投影鏡組積分成像，傳輸距離為f₀；光波再入射到聚焦透鏡成像，傳輸距離為L₁；最后在工作面上形成復(fù)振幅圖像，傳輸距離為L₂，得到光波復(fù)振幅分布；再推導(dǎo)出S₀上的光強分布數(shù)學(xué)函數(shù)；

步驟三、對所述變曲率光學(xué)積分器的場鏡組各圈子眼透鏡后表面進行優(yōu)化；具體為：

在Zemax軟件中將場鏡組各圈子眼透鏡后表面設(shè)置為偶次非球面，并對所述偶次非球面二次圓錐系數(shù)進行優(yōu)化，消除光學(xué)系統(tǒng)中的成像雜散光，完成變曲率光學(xué)積分器的設(shè)計。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽模擬器用變曲率光學(xué)積分器的設(shè)計方法，其特征在于：步驟一中，還包括通道數(shù)目對輻照均勻性和能量利用率的影響；

設(shè)定ν為能量利用率，變曲率光學(xué)積分器能量利用率公式為：

根據(jù)上式可得通道數(shù)目與能量利用率的關(guān)系。