[发明专利]基于抛物面镜阵列的反射型光学积分器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于实现杂乱光线的照明均匀化的光学器件设计，属于光学设计领域，同时属于对需要均匀光照射的各种技术领域，如太阳模拟器及投影仪照明等。

背景技术

积分照明就是把杂乱无章的光经过光学系统整合成照射均匀的光，或者可实现亮度提高和均匀，可广泛应用于绿色能源、空间技术等领域。光学积分器是积分照明中最重要的光学器件。根据光的传播定律，光学积分器可以分为折射型(透射型)和反射型。折射型的光学积分器如微透镜阵列，一般折射型光学积分器用于同轴系统中，同轴系统的缺点就是光路长，导致光学系统的外形轮廓大。利用微透镜阵列完成光束的均光是目前普遍采用的均光的方式，但是由于利用了透镜所以会引入透镜的一些缺点，如像差大、光损失严重等，这些缺点会影响接收面的光束的均匀性。而反射型积分器采用离轴方式，缩减了光路长度，占用空间小。更重要的是，积分器用反射镜代替了折射镜，从而减少了像差对光路的影响，同时也减少了折射材料对光辐射能量的吸收损失，增大了能量的利用率。

由于反射型积分器外形结构复杂，加工不易实现，目前很少使用。但随着超精密技术的发展和成熟，尤其采用刀具伺服的单点金刚石切削技术的发展，为复杂形状光学器件的加工提供了有力的工具，为反射型积分器的应用提供了保障，因此，鉴于反射型积分器的众多应用优点，有必要开展反射型积分器设计方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种简单可行的反射型积分器设计方法。本发明采用多个抛物面组成的曲面阵列进行反射型积分器设计，实现良好的均匀照明。

一种基于抛物面镜阵列的反射型光学积分器的设计方法，该种反射型光学积分器包括一个抛物面反射镜阵列，以抛物面反射镜阵列中心处的抛物面中心为坐标原点，以平行光入射的反方向为Z轴，建立直角坐标系，沿着Z轴的平行光经过积分器的反射后，到达接收面；积分器的结构参数包括各个抛物面单元沿着X轴和Y轴的边长、接收面的边长d和抛物面本身的参数，每个抛物面单元的位置参数包括单元中心点的坐标、分别绕X轴和Y轴的旋转角度以及绕X轴和Y轴旋转的旋转中心的坐标；其设计方法包括：

第一步.积分器初始参数的确定：

(1)根据接收面和反射面的距离确定抛物面的焦距f，从而得到抛物面的方程：

X²+Y²＝4fZ；

(2)根据抛物面反射镜阵列中心处的抛物面单元的边长2a，可以求得抛物面中心距离接收面中心的距离D，

第二步.从中心处的抛物面单元出发，重复执行下面的第(1)步至第(3)步，沿X方向进行迭代计算，求取所有的积分器单元在X方向上的位置参数和方向参数：

(1)利用接收面的边界坐标A1(-a，a，D)，A2(-a，-a，D)和前一个抛物面单元的

边界处的坐标P1(x₁，y₁，z₁)，P2(x₂，y₂，z₂)，建立方程组：

求得当前抛物面单元的焦点B1(x₀，y₀，z₀)，并求取当前抛物面单元的旋转中心P0的坐标为(m_c，n_c，k_c)：

(2)设当前抛物面单元未经过旋转的曲面满足标准抛物面方程(X-a₁)²+(Y-a₂)²＝4f₁(Z-a₃)，根据当前焦点B1(x₀，y₀，z₀)和未经过旋转的曲面的焦点(a₁，a₂，a₃+f₁)，利用坐标变换公式：求得抛物面的旋转角度b和标准抛物面方程的参数a₁，a₂，a₃，f₁，旋转角度b确定了当前抛物面单元在X方向上的方位；

(3)下一个抛物面单元的旋转中心Q0(x_p0，y_p0，z_p0)是通过前一个抛物面单元的标准抛物面上的点Q1(x_b0，y_b0，z_b0)求得的，它们之间的关系满足下面的方程组：