专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明属于光学设计技术领域，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。
背景技术：
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。
与本发明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。
发明内容
为了克服上述已有技术存在的缺点，本发明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，特发明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。
本发明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设计方法设计制造的复合椭球面双高效聚光镜的类型之一，如图3所示，具备如下特征聚光镜的子午面截线(7)是一条没有拐点、平滑过渡、连续递增的复合椭球面截线；如果椭球面聚光镜光学系统的F1F2、2U′角、后续光学系统通光口径等限定条件发生变化，可得到另一种类型的复合椭球面双高效聚光镜，聚光镜的子午面截线(8)仍然是一条没有拐点、平滑过渡、连续递增的复合椭球面截线。在满足使用要求和设计精度的前提下，将拐点前后的截面用光学方法衔接起来，只要保持第一焦点F1和第二焦点F2互为共轭点的椭球面成像特性，便可消除拐点的影响。
原理说明复合椭球面双高效聚光镜中，各个U对应的子午截线上的各个点，分别位于各自所属的不同参数的椭圆截线上，因此，可以分别选择不同U角对应的聚光镜投影成像倍率-Mu。这些点都同时以第一焦点F1、第二焦点F2为它们各自所属椭圆的第一焦点和第二焦点，具有以F1和F2作为共轭点的椭球面成像特性。
复合椭球面双高效聚光镜中，在满足2U′角限定要求时，可取得尽可能大的Um或(Um-Uo)，从而增加K1；Um-Uo角较大时，合理优选Uo至Um对应的-M0至-Mu，还可以改善第二焦面给定的通光口径内辐照度分布均匀性，这样可以满足同时提高K1和K2及第二焦面内辐照度分布均匀性的综合设计要求。
上述U角及其对应的-Mu的选定，计算出聚光镜截线上相应点的坐标，当这些计算出的“点”为无限多时，可得出一条数学上连续递增截线，而从物理学和技术角度出发，这些点的数目在一定精度内总可以是有限的，借助于现代高精度数控加工技术手段，复合椭球面双高效聚光镜，可以加工制造。
本发明的积极效果能同时获得聚光镜的聚光效率高、第二焦面上通光口径内光辐射功率利用率高的双高效聚光镜，同时也获得了第二焦面上的通光口径内光辐照度均匀的“照明”场，是理想的高级均匀照明系统。或较大工程中的照明场。
图1是椭球面聚光镜子午参考面有关参数示意图，图2是已有技术中单一椭球面聚光镜子午面截线示意图，图3是用本发明方法设计制造的复合椭球面双高效聚光镜类型之一的子午面截线示意图，图4是用本发明方法设计的复合椭球面双高效聚光镜另一种类型的子午面截线示意图。
具体实施例方式本发明按图1所示，根据整体光学系统外形尺寸计算得出的2U′角、Um-Uo、F1F2、出瞳口径、第二焦面上的通光口径等参数，作为限制条件，根据使用要求以及现有加工工艺条件确定设计精度要求。然后优选各个U角对应的-Mu，在具体的设计中，确定或选择不同的U角区段du和dm变化速率，在某些情况出现y值拐点时，在拐点及其前后对y值进行光学方法衔接或平滑过渡，分别计算出聚光效率K1和光辐射功率利用率K2以及第二焦面上通光口径内辐射照度相对分布，进行分析比较，从中选取最后所需的设计结果。
权利要求
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=((-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。
2.一种复合椭球面双高效聚光镜，其特征在于聚光镜的子午面截线(7)是一条没有拐点、平滑过渡、连续递增的复合椭球面截线；如果椭球面聚光镜光学系统的F1F2、2U′角、后续光学系统通光口径等限定条件发生变化，可得到另一种类型的复合椭球面双高效聚光镜，聚光镜的子午面截线(8)仍然是一条没有拐点、平滑过渡、连续递增的复合椭球面截线；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，只要保持第一焦点F1和第二焦点F2互为共轭点的椭球面成像特性，便可消除拐点的影响。
全文摘要
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F
文档编号G02B19/00GK1450378SQ03110950
公开日2003年10月22日 申请日期2003年1月25日 优先权日2003年1月25日
发明者仲伟志, 仲跻功 申请人:仲伟志