一种复合椭球面聚光镜的制造方法及其聚光镜技术

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Ｆ＃－［１］到第二焦点Ｆ＃－［２］的距离Ｆ＃－［１］Ｆ＃－［２］、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Ｋ＃－［１］和Ｋ＃－［２］双高效，同时通光口径内光的辐射度分布均匀。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学设计
，尤其是涉及一种椭球面双高效聚光镜的光学设计方法及其聚光镜。
技术介绍
在很多照明工程或照明系统，特别是高级均匀系统中，光源的聚光镜是其整体光学系统中的一个关键部件，它涉及到如何充分利用和怎样利用光源的辐射功率及其在后续照明场或光学系统的通光口径内辐照度的分布问题。在以往的反射聚光镜的光学设计中，大都采用单一椭球面聚光镜，即子午截线是一条连续的二次曲线椭圆。与本专利技术最为接近的已有技术是单一椭球面聚光镜的光学设计方法及其聚光镜(庆祝王大珩教授从事科研活动五十五周年学术论文集，P332页，陈星旦主编，吉林科学技术出版社1992年10月)。我们用图1所示的聚光镜子午参考面内有关参数示意图来说明单一椭球面聚光镜的光学设计方法，图1是采用x-y直角坐标系，x轴为光轴，坐标原点“O”为椭球的一个顶点，F1是椭圆的第一焦点，聚光镜的顶点O到第一焦点F1的距离为第一集焦距，用f1表示；F2是椭圆的第二焦点，D为聚光镜出瞳直径，2U′角是聚光镜出射光束孔径角，光源发光强度分布配光曲线1、聚光镜光学反射面子午面内截线2、聚光镜出瞳直径3(D)、过椭圆第二焦点F2处垂直于光轴的面为聚光镜第二焦面4、第二焦面内通光口径5(D0)。第一焦点F1到第二焦点F2的轴向距离F1F2、聚光镜出瞳直径3(D)、聚光镜出射光束孔径角2U′等参数是由整体光学系统外尺寸计算给出并限定。光学设计过程是光学设计者根据需要和经验，首先选择第一焦距f1＝OF1，这样，第二焦距f2可写为f2＝f1+F1F2，引进参数A，使得A=4×(f1×f2)(f1+f2),=4×f1×f2f1+f2]]>椭圆偏心率e=f2-f1f2+f1]]>引进参数B，使得B＝e2-1，则椭圆截线方程式为y2＝Ax+Bx2。过第一焦点F1与光轴(x轴)成U角的的一条直线和椭圆截线相交点(x、y)，该直线方程式为x＝f1-y/tgU，聚光镜截线(椭圆)上某一点坐标值x、y由解方程组 求出。聚光镜截线上某一点到第一焦点F1的连线与光轴(x轴)之间的夹角为U，光源发光强度角分布范围为U0～UM，被聚光镜会聚反射的光源发光强度角分布范围为U0～Um，U0～Um范围内光源辐射功率占U0～UM范围内光源全部光辐射功率的百分比称为聚光镜的聚光效率，通常用K1表示；被聚光镜会聚的第二焦面4上的通光口径5(D0)内的光辐射功率占第二焦面4上全部光辐射功率的百分比称为第二焦面4上的通光口径5内光辐射功率利用率，通常用K2表示。K1和K2是照明光学系统对辐射功率传递效率中的两个重要因子，K1和K2以及第二焦面上通光口径内光辐照度分布均匀度，主要取决于聚光镜反射面面形即反射面子午截线形状。同时提高K1和K2及通光孔径D0内光辐照度分布均匀度是光学设计者考虑的核心问题。不同的U角对应的聚光镜很窄的环带，对位于第一焦点F1上的“点”光源的投影成像倍率，在单一椭球面聚光镜情况下，给出如下公式，由几何光学，椭球面聚光镜二个焦点F1、F2互为成像共轭点，反射成像中横向倍率Mu＝-SinU/SinU′。在以F1为极点、U角为极角、F1O为极坐标中，由椭圆的性质可知，椭圆上某一M点到F1、F2二点的距离MF1与MF2之和为常数，等于2a，这里的2a为椭圆长轴，等于2f1+F1F2，并可求得MF1=a×(1-e2)1+e×CosU]]>MF2=a×(e2+2×e×CosU+1)1+e×CosU---SinUSinU′=MF2MF1]]>-Mu=e2+2×e×CosU+11-e2]]>式中e为椭圆偏心率，从式中不难看出，“点”光源投影成像率-Mu是椭圆偏心率e和角U的函数，-Mu随e和U角的变化而定。当式中的U＝0时，Mo是近轴光学倍率，可写为-Mo＝f2/f1＝(F1+F2+f1)/f1。单一椭球面聚光镜的设计中，只有一个设计参数Mo或e供选择，不能满足聚光镜的聚光效率K1和第二焦面上通光口径内光辐射功率利用率K2两个重要因子同时提高的双高效要求，有时会使单一椭球面聚光镜的口径很大，或第二焦面上的通光口径内光辐照度分布梯度增大，从而影响聚光效果和照明系统技术指标。通过该方法设计制造的单一椭圆球面聚光镜的类型之一，如图2所示，聚光镜的子午截线6是一条连续的二次曲线椭圆。
技术实现思路
为了克服上述已有技术存在的缺点，本专利技术的目的在于为了同时获得聚光镜的聚光效率K1高、第二焦面上的通光口径内光辐射功率利用率K2高的双高效聚光镜，同时也获得第二焦面上的通光口径内光的辐照度分布均匀度的照明场，特专利技术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出复合椭球面双高效聚光镜。本专利技术要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出复合椭球面双高效聚光镜。解决技术问题的技术方案是结合图1予以说明图1中F1是椭圆的第一焦点、F2是椭圆的第二焦点、2U′角是聚光镜出射光束孔径角，第二焦面4上有通光口径5(D0)。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=((-2×CosU)+((2×CosU)2-4×(1-Mu)×(1+Mu)))(2×(1-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。通过上述复合椭球面双高效聚光镜的光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ｆ↓［１］Ｆ↓［２］、２Ｕ′角、第二焦面上通光口径Ｄ↓［０］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；本专利技术还通过优选各个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；本专利技术的特征在于：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Ｆ↓［１］到第二焦点Ｆ↓［２］的轴向距离Ｆ↓［１］Ｆ↓［２］、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）Ｄ↓［０］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＊＊＊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Ｍ↓［０］，由Ｍ↓［０］和Ｆ↓［１］Ｆ↓［２］可 求出ｆ↓［１］，进而求解ｆ↓［２］、Ａ、Ｂ；Ａ＝４×ｆ↓［１］×ｆ↓［２］／ｆ↓［１］＋ｆ↓［２］，Ｂ＝ｅ↑［２］－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Ｆ↓［１］和第二焦点Ｆ↓［２］互为共轭点的成像，符合椭球面聚光镜成像性质。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：仲伟志，仲跻功，
申请(专利权)人：仲伟志，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]