一种变曲率光学积分器的设计方法与流程

技术特征：
1.一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征是：该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；具体为：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。2.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤一中，将所述变曲率光学积分器置于氙灯光源太阳模拟器的椭球聚光镜与准直透镜之间，引入菲涅耳数定量评价衍射效应，设计菲涅耳数大于500的积分器，综合辐照均匀性和光能利用率公式，最后确定通道口径和数目。3.根据权利要求2所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：所述变曲率光学积分器入瞳置于椭球聚光镜的第二焦面处，出瞳置于准直透镜的物方焦平面的前1mm处；菲涅耳数定义为：式中，opd为光程差，r为子眼透镜口径的半径，λ为入射光波长，l为工作距离；设定入射平行光波，聚焦透镜焦距为f
f
，辐照面积为s0，积分器口径为d，子眼透镜口径为d0，径向通道数为m，将代入所述菲涅耳数的公式，则积分器与菲涅耳数关系的计算公式为：式中，f0为传输距离。4.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤二中，将积分器各圈子眼透镜划为若干矩形环带，在透镜阵列平面区域建立坐标系xoy，r
m,n
为子眼透镜编号，m和n为沿x轴和y轴的透镜个数；设定中心子眼透镜的函数r1(x
a
,y
a
)为：r1(x
a
,y
a
)＝r
3,3

…
r
m
‑
2,n
‑2中心子眼透镜的复振幅透过率函数t1(x,y)为：式中，i为虚数单位，k为光波的波数，δ(x
a
‑
md0,y
a
‑
nd0)为脉冲函数，x
a
和x
b
为中心子眼透镜的编号，为孔径函数；菲涅耳衍射公式为：
式中，z为光波传输路径的长度，x，y为起始坐标，x1，y1为终点坐标；设定波长为λ的平面波复振幅分布为e0(x,y)，光波入射到光学积分器场镜组后，宽光波被场镜组分割为细光波，汇聚入射到投影镜组积分成像，传输距离为f0；光波再入射到聚焦透镜成像，传输距离为l1；最后在工作面上形成复振幅图像，传输距离为l2，得到光波复振幅分布；再推导出s0上的光强分布数学函数。5.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：步骤一中，还包括通道数目对辐照均匀性和能量利用率的影响；设定ν为能量利用率，变曲率光学积分器能量利用率公式为：根据上式可得通道数目与能量利用率的关系。6.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：还包括设计各圈子眼透镜的辐照面积；设定各圈子眼透镜辐照面积分别为s0，s1和s2，边缘区域的矩形环带分别为δs0，δs1和δs2；设定δs1＝δs2，δs0＝2δs2，则各圈子眼透镜辐照面积计算公式为：s1＝s2 2δs2，s0＝s2 4δs2。7.根据权利要求1所述的一种变曲率光学积分器的设计方法，其特征在于：所述变曲率光学积分器的各圈子眼透镜焦距不同。

技术总结
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。辐照均匀性。辐照均匀性。


技术研发人员：苏拾 彭浩文 张国玉 孙高飞 刘石 张健 徐达 杨松洲 孟瑶 孟凡琳
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2021.08.12
技术公布日：2021/10/29