[发明专利]一种基于平面镜阵列的反射型光学积分器设计方法

摘要

本发明属于光学器件设计技术领域，涉及一种基于平面镜阵列的反射型光学积分器设计方法，包括：积分器平面单元中心的确定；确定各个积分器平面单元的方向；确定积分器阵列在Y方向上的位置参数和方向参数；确定积分器阵列在X方向上的位置参数和方向参数；建立积分器模型；根据所设计的积分器模型设计加工路径，进行超精密车削加工。采用本发明方法设计的反射型积分器比传统的透射型积分器结构简单，而且稳定性好，在相同入射光的能量情况下，有更加优秀的光照强度的分布均匀。

主权项

1.一种基于平面镜阵列的反射型光学积分器设计方法，该种反射型光学积分器包括一个平面反射镜阵列，以平面反射镜阵列中心处的平面中心为坐标原点，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平面单元沿着X轴和Y轴的边长、接收面的边长2d和积分器的焦距f，每个平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.积分器平面单元中心的确定：(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)根据接收面的大小确定位于坐标原点处的积分器单元的边长，两者的数值是相等的，(3)将(1)中的抛物面在XOY面上划分成一系列网格，网格的边界线平行于X轴和Y轴，将网格上的每个点作为积分器单元中心在XOY面上的投影，原点处的积分器单元中心为(0，0，0)，根据光线追迹和网格上的点的位置，确定各个积分器单元中心的位置，对于各个积分器单元中心，分别按照下面的第二步至第四步的方式沿Y方向和X方向迭代计算与其相应的各个平面单元的位置参数和方向参数；第二步.对于每个积分器单元中心，设其在XOY面上的坐标分别为X₀和Y₀，其在抛物面上的切线矢量为K[k₁，k₂]，k₁＝-X₀/(2f)，k₂＝-Y₀/(2f)，并设平面单元的法矢量的方向和抛物面切线方向垂直，按照下列的方法确定与其相应的平面单元的法向量[a，b，c]，从而确定平面单元的方向；第三步.确定积分器阵列在Y方向上的位置参数和方向参数：设A_i是前一个平面单元与当前平面单元在Y方向上的边缘点，则A_i是已知的；A_i+1是当前平面单元与该边缘点相连接的一点，A_i＝A，根据A_i(X_i，Y_i，Z_i)和积分器单元中心可确定Y方向上的平面单元的中心在Z方向的坐标值Z₁＝a*(X₀-X_i)+b*(Y₀-Y_i)+Z_i，再根据平面单元的法向量，求得Y方向上的平面单元中心坐标值P₁(X₁，Y₁，Z₁)，这样就获得了平面单元在Y方向上的位置参数和方向参数；第四步.确定积分器阵列在X方向上的位置参数和方向参数：设B_i是前一个平面单元与当前平面单元在X方向上的边缘点，则B_i是已知的；B_i+1是当前平面单元与该边缘点相连接的一点，B_i＝B，根据B_i(X_i，Y_i，Z_i)和积分器单元中心可以确定X方向上的平面单元中心在Z方向的坐标值Z₂＝a*(X_i-X₀)+b*(Y_i-Y₀)+Z_i，再根据平面单元的法向量，求得X方向上的平面中心坐标值P₂(X₂，Y₂，Z₂)，这样就得到了平面单元在X方向上的位置参数和方向参数；第五步.建立积分器模型：(1)确定积分器的位置参数：根据积分器单元在X方向和Y方向的位置和方向，可以分别计算出平面阵列在X和Y方向上的转角a₀＝π/2-arccos(-a)和b₀＝π/2-arccos(-b)，其中，a₀代表平面绕Y轴的转角；b₀代表平面绕X轴的转角；(2)确定积分器的结构参数：分别求得平面单元在X轴和Y轴的矩形边长d₁＝d/cos(a)和d₂＝d/cos(b)，其中d₁代表平面单元在X轴方向上的长度；d₂代表平面单元在Y轴方向上的长度；(3)按照上述方法得到沿着X轴正方向上的积分器模型，将该积分器模型在X方向上进行关于Y轴的对称扩展，就得到了一个关于Y轴对称的积分器模型；(4)除去关于Y轴对称的积分器模型上位于积分器中心处附近的平面阵列，以实现离轴反射的目的；第六步.根据所设计的积分器模型设计加工路径，进行超精密车削加工。