[发明专利]一种变曲率光学积分器的设计方法

说明书

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。

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；