[发明专利]一种变曲率光学积分器的设计方法

权利要求书

1.一种太阳模拟器用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；具体为：

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；

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；

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；

本步骤中，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；

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所述的一种太阳模拟器用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。