專利名稱：一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法及其聚光鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法及其聚光鏡。
背景技術(shù)：
在很多照明工程或照明系統(tǒng)，特別是高級(jí)均勻系統(tǒng)中，光源的聚光鏡是其整體光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，它涉及到如何充分利用和怎樣利用光源的輻射功率及其在后續(xù)照明場(chǎng)或光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑內(nèi)輻照度的分布問題。
在以往的反射聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)中，大都采用單一橢球面聚光鏡，即子午截線是一條連續(xù)的二次曲線橢圓。
與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)是單一橢球面聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法及其聚光鏡(慶祝王大珩教授從事科研活動(dòng)五十五周年學(xué)術(shù)論文集，P332頁(yè)，陳星旦主編，吉林科學(xué)技術(shù)出版社1992年10月)。
我們用圖1所示的聚光鏡子午參考面內(nèi)有關(guān)參數(shù)示意圖來說明單一橢球面聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，圖1是采用x-y直角坐標(biāo)系，x軸為光軸，坐標(biāo)原點(diǎn)“O”為橢球的一個(gè)頂點(diǎn)，F(xiàn)1是橢圓的第一焦點(diǎn)，聚光鏡的頂點(diǎn)O到第一焦點(diǎn)F1的距離為第一集焦距，用f1表示；F2是橢圓的第二焦點(diǎn)，D為聚光鏡出瞳直徑，2U′角是聚光鏡出射光束孔徑角，光源發(fā)光強(qiáng)度分布配光曲線1、聚光鏡光學(xué)反射面子午面內(nèi)截線2、聚光鏡出瞳直徑3(D)、過橢圓第二焦點(diǎn)F2處垂直于光軸的面為聚光鏡第二焦面4、第二焦面內(nèi)通光口徑5(D0)。
第一焦點(diǎn)F1到第二焦點(diǎn)F2的軸向距離F1F2、聚光鏡出瞳直徑3(D)、聚光鏡出射光束孔徑角2U′等參數(shù)是由整體光學(xué)系統(tǒng)外尺寸計(jì)算給出并限定。
光學(xué)設(shè)計(jì)過程是光學(xué)設(shè)計(jì)者根據(jù)需要和經(jīng)驗(yàn)，首先選擇第一焦距f1＝OF1，這樣，第二焦距f2可寫為f2＝f1+F1F2，引進(jìn)參數(shù)A，使得A=4×(f1×f2)(f1+f2),=4×f1×f2f1+f2]]>橢圓偏心率e=f2-f1f2+f1]]>引進(jìn)參數(shù)B，使得B＝e2-1，則橢圓截線方程式為y2＝Ax+Bx2。過第一焦點(diǎn)F1與光軸(x軸)成U角的的一條直線和橢圓截線相交點(diǎn)(x、y)，該直線方程式為x＝f1-y/tgU，聚光鏡截線(橢圓)上某一點(diǎn)坐標(biāo)值x、y由解方程組 求出。聚光鏡截線上某一點(diǎn)到第一焦點(diǎn)F1的連線與光軸(x軸)之間的夾角為U，光源發(fā)光強(qiáng)度角分布范圍為U0～UM，被聚光鏡會(huì)聚反射的光源發(fā)光強(qiáng)度角分布范圍為U0～Um，U0～Um范圍內(nèi)光源輻射功率占U0～UM范圍內(nèi)光源全部光輻射功率的百分比稱為聚光鏡的聚光效率，通常用K1表示；被聚光鏡會(huì)聚的第二焦面4上的通光口徑5(D0)內(nèi)的光輻射功率占第二焦面4上全部光輻射功率的百分比稱為第二焦面4上的通光口徑5內(nèi)光輻射功率利用率，通常用K2表示。K1和K2是照明光學(xué)系統(tǒng)對(duì)輻射功率傳遞效率中的兩個(gè)重要因子，K1和K2以及第二焦面上通光口徑內(nèi)光輻照度分布均勻度，主要取決于聚光鏡反射面面形即反射面子午截線形狀。同時(shí)提高K1和K2及通光孔徑D0內(nèi)光輻照度分布均勻度是光學(xué)設(shè)計(jì)者考慮的核心問題。
不同的U角對(duì)應(yīng)的聚光鏡很窄的環(huán)帶，對(duì)位于第一焦點(diǎn)F1上的“點(diǎn)”光源的投影成像倍率，在單一橢球面聚光鏡情況下，給出如下公式，由幾何光學(xué)，橢球面聚光鏡二個(gè)焦點(diǎn)F1、F2互為成像共軛點(diǎn)，反射成像中橫向倍率Mu＝-SinU/SinU′。在以F1為極點(diǎn)、U角為極角、F1O為極坐標(biāo)中，由橢圓的性質(zhì)可知，橢圓上某一M點(diǎn)到F1、F2二點(diǎn)的距離MF1與MF2之和為常數(shù)，等于2a，這里的2a為橢圓長(zhǎng)軸，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為橢圓偏心率，從式中不難看出，“點(diǎn)”光源投影成像率-Mu是橢圓偏心率e和角U的函數(shù)，-Mu隨e和U角的變化而定。當(dāng)式中的U＝0時(shí)，Mo是近軸光學(xué)倍率，可寫為-Mo＝f2/f1＝(F1+F2+f1)/f1。單一橢球面聚光鏡的設(shè)計(jì)中，只有一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)Mo或e供選擇，不能滿足聚光鏡的聚光效率K1和第二焦面上通光口徑內(nèi)光輻射功率利用率K2兩個(gè)重要因子同時(shí)提高的雙高效要求，有時(shí)會(huì)使單一橢球面聚光鏡的口徑很大，或第二焦面上的通光口徑內(nèi)光輻照度分布梯度增大，從而影響聚光效果和照明系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。
通過該方法設(shè)計(jì)制造的單一橢圓球面聚光鏡的類型之一，如圖2所示，聚光鏡的子午截線6是一條連續(xù)的二次曲線橢圓。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于為了同時(shí)獲得聚光鏡的聚光效率K1高、第二焦面上的通光口徑內(nèi)光輻射功率利用率K2高的雙高效聚光鏡，同時(shí)也獲得第二焦面上的通光口徑內(nèi)光的輻照度分布均勻度的照明場(chǎng)，特發(fā)明一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，并通過該方法設(shè)計(jì)制造出復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是建立一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法。并通過該方法設(shè)計(jì)制造出復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡。
解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是結(jié)合圖1予以說明圖1中F1是橢圓的第一焦點(diǎn)、F2是橢圓的第二焦點(diǎn)、2U′角是聚光鏡出射光束孔徑角，第二焦面4上有通光口徑5(D0)。根據(jù)整體光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算結(jié)果，首先確定聚光鏡光學(xué)系統(tǒng)的第一焦點(diǎn)F1到第二焦點(diǎn)F2的軸向距離F1F2、聚光鏡出射光束孔徑角2U′和第二焦面4內(nèi)后光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑5(D0)作為限定條件；其次是聚光鏡的光學(xué)系統(tǒng)如采用x-y直角坐標(biāo)系，x軸為系統(tǒng)的光軸，坐標(biāo)原點(diǎn)O為橢圓的一個(gè)頂點(diǎn)，由優(yōu)選出的各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的-Mu，按公式e=((-2×CosU)+((2×CosU)2-4×(1-Mu)×(1+Mu)))(2×(1-Mu))]]>計(jì)算出復(fù)合橢圓截線上各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的橢圓偏心率e。由e可求該(x、y)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的M0，由M0和F1F2可求出f1，進(jìn)而求解f2、A、B；A＝4×f1×f2/f1+f2，B＝e2-1。便得到聯(lián)立方程式 并由此求解出各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的復(fù)合橢球面截線上各點(diǎn)的坐標(biāo)(x、y)，根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求和加工設(shè)備及工藝條件所能達(dá)到的精度，來確定復(fù)合橢球面聚光鏡截線上的坐標(biāo)(x、y)點(diǎn)的數(shù)量(即U角的個(gè)數(shù))；第三，復(fù)合橢球面聚光鏡的投影成像倍率-Mu隨U角改變，U角和-Mu的改變速率在U角的不同區(qū)段是不同的，合理地選擇聚光鏡的投影成像倍率-Mu，使該聚光鏡截線保持連續(xù)遞增地變化；第四，在某些情況下，當(dāng)出現(xiàn)y值拐點(diǎn)時(shí)有兩種處理方法，其一是通過拐點(diǎn)處及其前后，對(duì)-Mu值的合理選擇采用“平滑過渡”手段消除已出現(xiàn)的y值拐點(diǎn)，滿足該光學(xué)設(shè)計(jì)要求，所謂“平滑過渡”就是優(yōu)選拐點(diǎn)前后U角的變化量值du及其對(duì)應(yīng)的聚光鏡投影成像倍率-Mu的變化量值dm，使該聚光鏡復(fù)合截線保持連續(xù)遞增地變化；其二，在滿足使用要求和設(shè)計(jì)精度的前提下，將拐點(diǎn)前后的截線用光學(xué)方法銜接起來，仍須保持第一第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2互為共軛點(diǎn)的成像，符合橢球面聚光鏡成像性質(zhì)。
通過上述復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)制造的復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的類型之一，如圖3所示，具備如下特征聚光鏡的子午面截線(7)是一條沒有拐點(diǎn)、平滑過渡、連續(xù)遞增的復(fù)合橢球面截線；如果橢球面聚光鏡光學(xué)系統(tǒng)的F1F2、2U′角、后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)通光口徑等限定條件發(fā)生變化，可得到另一種類型的復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡，聚光鏡的子午面截線(8)仍然是一條沒有拐點(diǎn)、平滑過渡、連續(xù)遞增的復(fù)合橢球面截線。在滿足使用要求和設(shè)計(jì)精度的前提下，將拐點(diǎn)前后的截面用光學(xué)方法銜接起來，只要保持第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2互為共軛點(diǎn)的橢球面成像特性，便可消除拐點(diǎn)的影響。
原理說明復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡中，各個(gè)U對(duì)應(yīng)的子午截線上的各個(gè)點(diǎn)，分別位于各自所屬的不同參數(shù)的橢圓截線上，因此，可以分別選擇不同U角對(duì)應(yīng)的聚光鏡投影成像倍率-Mu。這些點(diǎn)都同時(shí)以第一焦點(diǎn)F1、第二焦點(diǎn)F2為它們各自所屬橢圓的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)，具有以F1和F2作為共軛點(diǎn)的橢球面成像特性。
復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡中，在滿足2U′角限定要求時(shí)，可取得盡可能大的Um或(Um-Uo)，從而增加K1；Um-Uo角較大時(shí)，合理優(yōu)選Uo至Um對(duì)應(yīng)的-M0至-Mu，還可以改善第二焦面給定的通光口徑內(nèi)輻照度分布均勻性，這樣可以滿足同時(shí)提高K1和K2及第二焦面內(nèi)輻照度分布均勻性的綜合設(shè)計(jì)要求。
上述U角及其對(duì)應(yīng)的-Mu的選定，計(jì)算出聚光鏡截線上相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，當(dāng)這些計(jì)算出的“點(diǎn)”為無限多時(shí)，可得出一條數(shù)學(xué)上連續(xù)遞增截線，而從物理學(xué)和技術(shù)角度出發(fā)，這些點(diǎn)的數(shù)目在一定精度內(nèi)總可以是有限的，借助于現(xiàn)代高精度數(shù)控加工技術(shù)手段，復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡，可以加工制造。
本發(fā)明的積極效果能同時(shí)獲得聚光鏡的聚光效率高、第二焦面上通光口徑內(nèi)光輻射功率利用率高的雙高效聚光鏡，同時(shí)也獲得了第二焦面上的通光口徑內(nèi)光輻照度均勻的“照明”場(chǎng)，是理想的高級(jí)均勻照明系統(tǒng)?；蜉^大工程中的照明場(chǎng)。


圖1是橢球面聚光鏡子午參考面有關(guān)參數(shù)示意圖，圖2是已有技術(shù)中單一橢球面聚光鏡子午面截線示意圖，圖3是用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)制造的復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡類型之一的子午面截線示意圖，圖4是用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡另一種類型的子午面截線示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明按圖1所示，根據(jù)整體光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算得出的2U′角、Um-Uo、F1F2、出瞳口徑、第二焦面上的通光口徑等參數(shù)，作為限制條件，根據(jù)使用要求以及現(xiàn)有加工工藝條件確定設(shè)計(jì)精度要求。然后優(yōu)選各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的-Mu，在具體的設(shè)計(jì)中，確定或選擇不同的U角區(qū)段du和dm變化速率，在某些情況出現(xiàn)y值拐點(diǎn)時(shí)，在拐點(diǎn)及其前后對(duì)y值進(jìn)行光學(xué)方法銜接或平滑過渡，分別計(jì)算出聚光效率K1和光輻射功率利用率K2以及第二焦面上通光口徑內(nèi)輻射照度相對(duì)分布，進(jìn)行分析比較，從中選取最后所需的設(shè)計(jì)結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，是通過整體光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算得出的F1F2、2U′角、第二焦面上通光口徑D0等參數(shù)作為限定條件，由選擇某一個(gè)U角對(duì)應(yīng)的-Mu，求解U角對(duì)應(yīng)的橢球面截線上點(diǎn)的坐標(biāo)(x、y)實(shí)現(xiàn)的；本發(fā)明還通過優(yōu)選各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的不同的-Mu求解復(fù)合橢球面截線上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(x、y)；選擇不同U角區(qū)段的變化量值du對(duì)應(yīng)的-Mu的變化量值dm；出現(xiàn)y值拐點(diǎn)時(shí)采用“平滑過渡”手段或光學(xué)銜接手段消除拐點(diǎn)的影響；本發(fā)明的特征在于根據(jù)整體光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算結(jié)果，首先確定聚光鏡光學(xué)系統(tǒng)的第一焦點(diǎn)F1到第二焦點(diǎn)F2的軸向距離F1F2、聚光鏡出射光束孔徑角2U′和第二焦面(4)內(nèi)后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑(5)D0作為限定條件；其次是聚光鏡的光學(xué)系統(tǒng)如采用x-y直角坐標(biāo)系，x軸為系統(tǒng)的光軸，坐標(biāo)原點(diǎn)O為橢圓的一個(gè)頂點(diǎn)，由優(yōu)選出的各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的-Mu，按公式e=((-2×CosU)+((2×CosU)2-4×(1-Mu)×(1+Mu)))(2×(1-Mu))]]>計(jì)算出復(fù)合橢圓截線上各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的橢圓偏心率e。由e可求該(x、y)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的M0，由M0和F1F2可求出f1，進(jìn)而求解f2、A、B；A＝4×f1×f2/f1+f2，B＝e2-1。便得到聯(lián)立方程式 并由此求解出各個(gè)U角對(duì)應(yīng)的復(fù)合橢球面截線上各點(diǎn)的坐標(biāo)(x、y)，根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求和加工設(shè)備及工藝條件所能達(dá)到的精度，來確定復(fù)合橢球面聚光鏡截線上的坐標(biāo)(x、y)點(diǎn)的數(shù)量(即U角的個(gè)數(shù))；第三，復(fù)合橢球面聚光鏡的投影成像倍率-Mu隨U角改變，U角和-Mu的改變速率在U角的不同區(qū)段是不同的，合理地選擇聚光鏡的投影成像倍率-Mu，使該聚光鏡截線保持連續(xù)遞增地變化；第四，在某些情況下，當(dāng)出現(xiàn)y值拐點(diǎn)時(shí)有兩種處理方法，其一是通過拐點(diǎn)處及其前后，對(duì)-Mu值的合理選擇采用“平滑過渡”手段消除已出現(xiàn)的y值拐點(diǎn)，滿足該光學(xué)設(shè)計(jì)要求，所謂“平滑過渡”就是優(yōu)選拐點(diǎn)前后U角的變化量值du及其對(duì)應(yīng)的聚光鏡投影成像倍率-Mu的變化量值dm，使該聚光鏡復(fù)合截線保持連續(xù)遞增地變化；其二，在滿足使用要求和設(shè)計(jì)精度的前提下，將拐點(diǎn)前后的截線用光學(xué)方法銜接起來，仍須保持第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2互為共軛點(diǎn)的成像，符合橢球面聚光鏡成像性質(zhì)。
2.一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡，其特征在于聚光鏡的子午面截線(7)是一條沒有拐點(diǎn)、平滑過渡、連續(xù)遞增的復(fù)合橢球面截線；如果橢球面聚光鏡光學(xué)系統(tǒng)的F1F2、2U′角、后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)通光口徑等限定條件發(fā)生變化，可得到另一種類型的復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡，聚光鏡的子午面截線(8)仍然是一條沒有拐點(diǎn)、平滑過渡、連續(xù)遞增的復(fù)合橢球面截線；在滿足使用要求和設(shè)計(jì)精度的前提下，將拐點(diǎn)前后的截線用光學(xué)方法銜接起來，只要保持第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2互為共軛點(diǎn)的橢球面成像特性，便可消除拐點(diǎn)的影響。
全文摘要
一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法及其聚光鏡，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種聚光鏡的設(shè)計(jì)方法及其聚光鏡。解決的技術(shù)問題是建立一種復(fù)合橢球面雙高效聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法。并通過該方法設(shè)計(jì)制造聚光鏡。解決的技術(shù)方案是根據(jù)整體光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸，確定聚光鏡第一焦點(diǎn)F
文檔編號(hào)G02B19/00GK1450378SQ03110950
公開日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月25日
發(fā)明者仲偉志, 仲躋功 申請(qǐng)人:仲偉志