基于抛物面镜阵列的反射型光学积分器的设计方法

摘要

本发明属于光学器件设计技术领域，涉及一种基于抛物面镜阵列的反射型光学积分器的设计方法，包括：积分器初始参数的确定；从中心处的抛物面单元出发，沿X方向迭代计算，求取所有的积分器单元在X方向上的位置参数和方向参数；从中心处的抛物面单元出发，沿Y方向迭代计算，求取所有的积分器单元在Y方向上的位置参数和方向参数；根据前两步求得的积分器参数，建立积分器模型；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

一种基于抛物面镜阵列的反射型光学积分器的设计方法，该种反射型光学积分器包括一个抛物面反射镜阵列，以抛物面反射镜阵列中心处的抛物面中心为坐标原点，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抛物面单元沿着X轴和Y轴的边长、接收面的边长d和抛物面本身的参数，每个抛物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.积分器初始参数的确定：（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）根据抛物面反射镜阵列中心处的抛物面单元的边长2a，可以求得抛物面中心距离接收面中心的距离D， D = f - ( f - 1 4 f * 2 a 2 ) / a ; 第二步.从中心处的抛物面单元出发，重复执行下面的第（1）步至第（3）步，沿X方向进行迭代计算，求取所有的积分器单元在X方向上的位置参数和方向参数：（1）利用接收面的边界坐标A1（‑a，a，D），A2（‑a，‑a，D）和前一个抛物面单元的边界处的坐标P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），建立方程组： x 0 + a x 1 + a = y 0 - a y 1 - a y 0 - a y 1 - a = z 0 - D z 1 - D x 0 + a x 2 + a = y 0 + a y 2 + a , 求得当前抛物面单元的焦点B1（x0,y0,z0），并求取当前抛物面单元的旋转中心P0的坐标为 ( m c , n c , k c ) : m c = ( x 1 + x 2 ) / 2 n c = ( y 1 + y 2 ) / 2 k c = ( z 1 + z 2 ) / 2 （2）设当前抛物面单元未经过旋转的曲面满足标准抛物面方程(X‑a1)2+(Y‑a2)2=4f1(Z‑a3)，根据当前焦点B1（x0,y0,z0）和未经过旋转的曲面的焦点(a1,a2,a3+f1)，利用坐标变换公式： a 1 = m c + ( x 0 - m c ) * cos ( - b ) + ( z 0 - k c ) * sin ( - b ) f 1 + a 3 = k c + ( z 0 - k c ) * cos ( - b ) - ( x 0 - m c ) * sin ( - b ) 求得抛物面的旋转角度b和标准抛物面方程的参数a1，a2，a3，f1，旋转角度b确定了当前抛物面单元在X方向上的方位；（3）下一个抛物面单元的旋转中心Q0（xp0，yp0，zp0）是通过前一个抛物面单元的 标准抛物面上的点Q1（xb0，yb0，zb0）求得的，它们之间的关系满足下面的方程组： x p 0 = ( m c + ( x b 0 - m c ) * cos ( b / 2 ) + ( z b 0 - k c ) * sin ( b / 2 ) z p 0 = ( k c + ( z b 0 - k c ) * cos ( b / 2 ) - ( x b 0 - m c ) * sin ( b / 2 ) ( x b 0 - a 1 ) 2 + ( y b 0 - a 2 ) 2 = 4 f 1 ( z b 0 - a 3 ) x p 0 - x 0 a - x 0 = z p 0 - z 0 d - z 0 a 1 = ( m c + x b 0 ) / 2 通过求解上述方程组得到下一个抛物面单元的旋转中心Q0；第三步.从中心处的抛物面单元出发，重复执行下面的第1）步至第3）步，沿Y方向进行迭代计算，求取所有的积分器单元在Y方向上的位置参数和方向参数：（1）利用接收面的边界坐标A1（‑a，a，D），A3（a，‑a，D）和前一个抛物面单元的边界处的坐标P1（x1，y1，z1），P3（x3，y3，z3），建立方程组： x 0 ′ - a x 1 - a = y 0 ′ + a y 1 + a y 0 ′ + a y 1 ′ + a = z 0 ′ - D z 1 ′ - D x 0 ′ + a x 3 ′ + a = y 0 ′ + a y 3 ′ + a 求得当前抛物面单元的焦点B2（x0',y0′,z0′），并求取当前抛物面单元的旋转中心N0的坐标为 ( m c ′ , n c ′ , k c ′ ) : m c ′ = ( x 1 + x 3 ) / 2 n c ′ = ( y 1 + y 3 ) / 2 k c ′ = ( z 1 + z 3 ) / 2 （2）设当前抛物面单元未经过旋转的曲面满足标准抛物面方程(X‑a1')2+(Y‑a2')2=4f1′(Z‑a3′),根据当前焦点B2和未经过旋转的抛物面的焦点(a1',a2',a3'+f1')，利用坐标变化公式： a 1 ′ = m c ′ + ( x 0 ′ - m c ′ ) * cos ( - b ′ ) + ( z 0 ′ - k c ′ ) * sin ( - b ′ ) f 1 ′ + a 3 ′ = k c ′ + ( z 0 ′ - k c ′ ) * cos ( - b ′ ) - ( x 0 ′ - m c ′ ) * sin ( - b ′ ) 求得抛物面的旋转角度b'和标准抛物面方程的参数a1'，a2'，a3′，f1′，这个旋转角度b′就确定了抛物面单元的方位;（3）下一个抛物面单元的旋转中心M0（xp0′，yp0′，zp0′）是通过前一个抛物面单元的标准抛物面上的点M1（xb0'，yb0′，zb0′）求得的，它们之间的关系满足下面的 方程组： x p 0 ′ = ( m c ′ + ( x b 0 ′ - m c ′ ) * cos ( b ′ / 2 ) + ( z b 0 ′ - k c ′ ) * sin ( b ′ / 2 ) z p 0 ′ = ( k c ′ + ( z b 0 ′ - k c ′ ) * cos ( b ′ / 2 ) - ( x b 0 ′ - m c ′ ) * sin ( b ′ / 2 ) ( x b 0 ′ - a 1 ′ ) 2 + ( y b 0 ′ - a 2 ′ ) 2 = 4 f 1 ′ ( z b 0 ′ - a 3 ′ ) x p 0 ′ - x 0 ′ a - x 0 ′ = z p 0 ′ - z 0 ′ d - z 0 ′ a 1 ′ = ( m c ′ + x b 0 ′ ) / 2 通过求解上述方程组得到下一个抛物面单元的旋转中心M0；第四步.根据前两步求得的积分器参数，建立积分器模型；第五步.根据积分器模型设计加工路径，进行超精密车削加工。