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太阳模拟器用变曲率光学积分器研究与设计.docx
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太阳模拟器用变曲率光学积分器研究与设计.docx
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摘要
针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射
理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器
通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐
照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推
导工作面上的光强分布数学函数。利用 Zemax 软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面
优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用 LightTools 软件仿真变曲率光学积分器与
等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳
模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升 56%,Φ100
mm 辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm 辐照面内优于±1%。
Abstract
In order to solve the problem of low radiation energy at the edge of the output spot of the
equal curvature optical integrator, which leads to the poor uniformity of the radiation
surface, the differential and integration method of radiation energy based on the
diffraction theory is proposed, and a variable curvature optical integrator is designed. The
aperture and number of the integrator channel are determined according to the Fresnel
number, and the radiation distribution curve is divided equidistant. According to the
difference of the focal length of each eye lens in the integrator, the radiation distribution
curve is superimposed step by step. Based on the diffraction theory, the mathematical
model of variable curvature optical integrator in two-dimensional plane is established,
and the mathematical function of light intensity distribution on the working face is
deduced. The aspheric optimization design of each circle eye lens in the field lens group
is carried out by using Zemax software to improve the imaging quality and eliminate the
sidelobe effect. The variable curvature optical integrator and the constant curvature
optical integrator are simulated by LightTools software, and their performance differences
are compared and analyzed. The results show that the variable curvature optical
integrator can significantly improve the edge radiation energy of the output spot of the
solar simulator, up to 56% higher than that of the equal curvature optical integrator, the
irradiation non-uniformity in the Φ100 mm radiation plane is better than ±0.5%, and the
radiation inhomogeneity in the Φ200 mm radiation plane is better than ±1%.
1 引言
太阳模拟器作为一种模拟太阳光辐射特性的测试设备,广泛应用于航天和太阳能利用等领域
[1-3]
。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、会聚形成的高斯辐射分
布进行分割与叠加,可以输出辐照均匀一致的光斑,这对提高太阳模拟器的性能起着重要作
用。
光学积分器按其在聚光光路中的位置分为出瞳积分器和像面积分器。出瞳积分器的纵向尺
寸小,径向尺寸大;像面积分器的径向尺寸小且对称通道相互补偿,其又分为对称式和虚像式,
对称式光学积分器根据光斑形状可分为正方形、长方形和正六边形
[4-6]
。目前,在太阳模拟器
中主要应用对称式光学积分器。2012 年,美国的 Udekok 等
[7]
研制出了紧凑型光学积分器,
通过增加光束通过路径的长度来提高光束的均匀性,但其结构过大,装调不便。长春理工大
学的李志强等
[8]
研制出了集束型光学积分器,其保证了光轴一致性,有效避免了旁瓣效应,但无
法补偿边缘光线,光斑边缘的辐照均匀性差。日本的 Katsuki 等
[9]
研制出了出瞳式光学积分
器,其可以防止叠加成像模糊,但更影响边缘的辐照均匀性。长春理工大学的安桂芳等
[10]
采用
边缘透镜来扩大积分器的口径和投影镜组的离焦等,这可以补偿辐照面边缘的均匀性,但其
光能损耗率高且装调难度大。上述这些等曲率光学积分器及其补偿方法,除中心透镜与主光
轴重合外,外圈透镜都偏离主光轴,这会导致输出光斑边缘的辐照能量低,而且未考虑单独改
善每一圈子眼透镜的光学结构。对于光学积分器的研究和设计只停留在几何光学的角度,忽
略了其实质是衍射成像,而产生的衍射效应也影响了光强分布,目前未深入研究光波的传输
特性和工作面上的光强分布。
为此以提高输出光斑边缘的辐照能量为目的,本文提出一种辐射能量的微分、积分法,设计
一种变曲率光学积分器。通过菲涅耳数来定量评价积分器的衍射效应;基于衍射理论建立积
分器数学模型,深入分析光波的传输特性;通过工作面上的光强分布函数,详细阐述每圈子眼
透镜的光学参数对照度均匀性的影响;场镜组的后表面采用非球面设计;最后利用 Lighttools
软件进行建模仿真,并与等曲率光学积分器进行对比分析,以验证所设计的器件的准确性和
实用性。
2 变曲率光学积分器的组成和工作原理
变曲率光学积分器的设计思想是将光能有规律地进行微分和积分,将高斯状的辐照分布曲线
进行等距划分和阶梯叠加,以提高工作面边缘的辐照能量。由泰伯效应
[11]
分析可知,变曲率光
学积分器是一种自成像效应器件,不是传统意义上的透镜成像器件,而是衍射成像器件,所以
从波动光学的角度运用衍射理论来分析变曲率光学积分器的复振幅分布。
变曲率光学积分器由准直透镜、场镜组、投影镜组和聚焦透镜组成,如图 1 所示。准直透镜
B
1
和聚焦透镜 B
2
为两个平凸透镜。场镜组 A
1
由 25 个不同厚度的正方形棱柱透镜组成,透
镜呈阶梯排列
[12]
。投影镜组 A
2
由 25 个等厚度的正方形透镜组成。将积分器中的每个小透
镜称为子眼透镜,各圈子眼透镜按中心对称排列,同一圈的子眼透镜光学参数相同,不同圈的
子眼透镜光学参数不同。
图 1. 变曲率光学积分器的工作原理
Fig. 1. Working principle of variable curvature optical integrator
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在理想条件下,光波经过准直透镜后准直成平行光波入射,最终在场镜组各圈子眼透镜的视
场角内发生波前入射。场镜组将宽光波分割成细光波并会聚到投影镜组,形成二次光源像。
因各圈子眼透镜的焦距不同,故形成的复振幅图像大小不同。聚焦透镜将复振幅图像映射到
工作面上,形成一个积分后的多圈阴影光斑。
积分器前的辐照分布曲线
[13]
如图 2 所示,其中 E 为辐照强度,D
0
为子眼透镜的口径。由图 2
可知,将 C 曲线划分为 5 个相等区域的曲线,C
0
、C
1
、C'
1
、C
2
和 C'
2
分别对应积分器的各圈
通道,由于各圈通道的焦距不同,故可形成不同尺寸(直径为 S
0
、S
1
和 S
2
)的光斑。图 3 为积
分后的辐照分布曲线,各曲线舍弃梯度较大的边缘曲线,以中间平滑的曲线进行叠加,最终阶
梯式叠加成 H 曲线。
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