一种复合椭球面双高效聚光镜的光学设计方法及其聚光镜

摘要

一种复合椭球面双高效聚光镜的光学设计方法及其聚光镜，属于光学设计技术领域中涉及的一种聚光镜的设计方法及其聚光镜。解决的技术问题是：建立一种复合椭球面双高效聚光镜的光学设计方法。并通过该方法设计制造聚光镜。解决的技术方案是：根据整体光学系统的外形尺寸，确定聚光镜第一焦点F₁到第二焦点F₂的距离F₁F₂、孔径角2U′和通光口径等参数作为限定条件，再由优选的各个U角对应的各个－Mu，求解各椭圆偏心率e，进而求解并确定各个U角对应的复合椭球面聚光镜截面线上各个点坐标(x、y)，合理地选择－Mu，使该聚光镜复合截线保持连续递增，当出现y值拐点时，采用平滑过渡或光学衔接办法消除拐点影响。用该方法设计制造的聚光镜，具备K₁和K₂双高效，同时通光口径内光的辐射度分布均匀。

主权项

1、一种复合椭球面双高效聚光镜的光学设计方法，是通过整体光学系统外形尺寸计算得出的F₁F₂、2U′角、第二焦面上通光口径D₀等参数作为限定条件，由选择某一个U角对应的-Mu，求解U角对应的椭球面截线上点的坐标(x、y)实现的；本发明还通过优选各个U角对应的不同的-Mu求解复合椭球面截线上各个点的坐标(x、y)；选择不同U角区段的变化量值du对应的-Mu的变化量值dm；出现y值拐点时采用“平滑过渡”手段或光学衔接手段消除拐点的影响；本发明的特征在于：根据整体光学系统的外形尺寸计算结果，首先确定聚光镜光学系统的第一焦点F₁到第二焦点F₂的轴向距离F₁F₂、聚光镜出射光束孔径角2U′和第二焦面(4)内后续光学系统的通光口径(5)D₀作为限定条件；其次是聚光镜的光学系统如采用x-y直角坐标系，x轴为系统的光轴，坐标原点O为椭圆的一个顶点，由优选出的各个U角对应的-Mu，按公式 $e=\frac{((-2\times \mathrm{CosU})+\sqrt{({(2\times \mathrm{CosU})}^2-4\times (1-\mathrm{Mu})\times (1+\mathrm{Mu}))})}{(2\times (1-\mathrm{Mu}))}$计算出复合椭圆截线上各个U角对应的椭圆偏心率e。由e可求该(x、y)点对应的M₀，由M₀和F₁F₂可求出f₁，进而求解f₂、A、B；A＝4×f₁×f₂/f₁+f₂，B＝e²-1。便得到联立方程式：并由此求解出各个U角对应的复合椭球面截线上各点的坐标(x、y)，根据设计精度要求和加工设备及工艺条件所能达到的精度，来确定复合椭球面聚光镜截线上的坐标(x、y)点的数量(即U角的个数)；第三，复合椭球面聚光镜的投影成像倍率-Mu随U角改变，U角和-Mu的改变速率在U角的不同区段是不同的，合理地选择聚光镜的投影成像倍率-Mu，使该聚光镜截线保持连续递增地变化；第四，在某些情况下，当出现y值拐点时有两种处理方法，其一是通过拐点处及其前后，对-Mu值的合理选择采用“平滑过渡”手段消除已出现的y值拐点，满足该光学设计要求，所谓“平滑过渡”就是优选拐点前后U角的变化量值du及其对应的聚光镜投影成像倍率-Mu的变化量值dm，使该聚光镜复合截线保持连续递增地变化；其二，在满足使用要求和设计精度的前提下，将拐点前后的截线用光学方法衔接起来，仍须保持第一焦点F₁和第二焦点F₂互为共轭点的成像，符合椭球面聚光镜成像性质。