利用光学积分器提高太阳模拟器辐照均匀性的分析

2010-03-16安桂芳张国玉苏拾贺晓雷吕文华

长春理工大学学报（自然科学版） 2010年1期

关键词：积分器辐照度模拟器

安桂芳，张国玉，2，苏拾，2，贺晓雷，吕文华

(1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022；3.中国气象局气象探测中心，北京 100081)

光学积分器是太阳模拟器光学系统中的重要光学部件。本文阐述了光学积分器的光学结构及其工作原理，并较详细地讨论分析了利用光学积分器提高太阳模拟器辐照均匀性的几种方法。

1 结构和工作原理

光学积分器由两组前后排列的透镜阵列组成，其结构如图1所示。为提高系统辐照面的辐照均匀性、成像清晰度和能量，在光路中放置了两块附加镜，即附加镜Ⅰ和附加镜Ⅱ。

场镜组和投影镜组分别由通光口径相同的多个小元素透镜按中心对称的方式排列组成。场镜组的每一个元素分别与投影镜组的各对应元素同光轴，构成一个光通道[1]。从结构上来说，光学积分器是一个并列多光通道系统，各光通道的光轴在光学积分器的主光轴上有一个共同的交点。

光学积分器的作用是保证太阳模拟器获得均匀的照明。光源发出的光束经聚光镜会聚并反射后，在光学积分器场镜组阵列通光口径内入射端形成一个对称的辐照分布，这个分布经光学积分器场镜元素分割，投影镜元素成像，然后由附加镜Ⅱ再叠加成像，最后把这一照度分布不均匀的辐照面进行均匀化，在所要求的位置上形成一个辐照度均匀分布的辐照面。

图1 光学积分器结构图Fig.1 Construction diagram of optical integrator

2 提高太阳模拟器辐照面均匀性的方法

2.1像差对均匀性的影响

光学积分器场镜和投影镜的元素透镜成像时的某些像差，对辐照均匀性有一定的影响。由像差理论可知，增大像面弯曲、畸变、光阑彗差等像差可提高像面上轴外点的辐照度，从而提高整个辐照面内的照度分布均匀性[2]。光学积分器成像的共轭关系如图2所示，图中只给出光学积分器中心光通道的成像关系，其周围光通道的成像关系与此相同。

图2 光学积分器成像的共轭关系Fig.2 Conjugate imaging relation of optical integrator

场镜元素透镜的"弯曲"将影响物面畸变和光阑彗差，增大物面畸变时，可同时增大光阑彗差。增大场镜的物面畸变，则均匀辐照面轴外点光线高度向辐照面中心收敛，减小了均匀面边缘辐照度过渡带的宽度，所以增大场镜物面畸变有利于提高辐照均匀度[2]。另外在光学积分器成像时，由于场镜组元素透镜光阑轴外球差的影响，使得经场镜元素透镜边缘带的部分光线落入与其同光通道的投影镜元素透镜外面，这样将减小辐照面边缘带的辐照度，从而降低了辐照面均匀性。但实际上光学积分器是多通道无间隔对称排列的系统，由于光阑轴外球差大而落到场镜元素同光通道中投影镜元素口径外的光线，其实是落入相邻光通道中投影镜元素口径的边缘，最后投射到均匀辐照面的边缘。总之还是对提高系统辐照均匀性有利的。

综上所述可知，正确确定元素透镜的"弯曲"状态是非常必要的。选择合适的"弯曲"状态，有利于增加光学积分器所形成的辐照面边缘带的辐照度，提高整个辐照面的均匀性。选择场镜元素透镜处于光阑球差小的“弯曲”状态为最佳，而投影镜元素透镜的“弯曲”应处于物面球差极小值或极小值附近的状态。

2.2 光通道数目的选取

光学积分器重叠像面照度分布均匀性和聚光镜在积分器场镜组前表面的照度分布、积分器的通道数目k以及光学积分器的像差有关。若不考虑像差，依据高斯光学，建立光学积分器重叠像面的理想照度分布关系式[3]：

由此可计算理想辐照均匀性：

其中，E'是重叠像面上辐照度的平均值。

由此可见，光学积分器通道数目的多少直接影响系统的辐照均匀性。从理论上讲，光学积分器通道数目越多，其辐照均匀性就越好[4]。但实际设计时，在光学积分器通光口径及其形成的辐照面尺寸一定的情况下，光通道数目越多，小元素透镜的口径就越小，这样元素透镜的加工误差及胶合因素会带来影响，反而对辐照均匀性的提高起到负面作用。所以，在光学积分器设计时必须合理选择光通道的数目，使之与场镜组口径内的照度分布相适应，以使设计更合理。

2.3 边缘补偿对均匀性的影响

太阳模拟器辐照面边缘的辐照度往往低于中心范围的辐照度，尤其是场镜组元素透镜数为奇数时多是这样。因此可以考虑通过边缘补偿来提高辐照面边缘带的辐照度，从而增大辐照面有效均匀范围，使整个辐照面的照度分布更均匀。

如图3所示，在光学积分器通光口径外面加入了补偿元素透镜，其内排列着七个正六边形元素透镜，表示七个并列光通道的通光口径，其周围排列的六个等腰三角形即为光学积分器边缘补偿部分，每一个补偿部分与积分器的元素透镜各光学参数完全相同，只是外形不同[4]。根据光学积分器的成像特性，这六个三角形口径内的光能将被传递到均匀辐照面的六个角的相应范围内，并彼此有部分重叠。很明显，补偿元素透镜的作用在于增加均匀辐照面边缘带的相对辐照度，从而提高了整个辐照面的辐照均匀性，这种方法称之为“边缘补偿”法。

2.4 扩大积分器口径对均匀性的影响

通常情况下，由光学积分器通光口径边缘补偿来实现均匀辐照面边缘带的辐照度补偿，如本文2.3节所介绍。但在补偿元素透镜的加工和装调方面将有一定得难度，尤其当光通道数目越多时，其补偿元素透镜形状将变得不规则，加工难度也随之增大。因此，这里提出一种新的提高辐照面均匀性的方法，即适当扩大光学积分器口径，如图4所示。

在太阳模拟器光学系统中，从光学积分器射出的光线要经过视场光阑、准直物镜后投射到所要求的辐照面上。当光线经过视场光阑后会有部分能量损失，而损失光线大部分是光学积分器边缘那部分辐照度很低的光线。因此，通过适当扩大积分器口径，其边缘那部分辐照度很低的光线被视场光阑遮挡在外，仅中间部分均匀性好的光线通过，从而提高了辐照面的均匀度。如图4中所示例子，通过理论计算，光学积分器口径做到D=50mm即能达到技术要求，但在设计中适当扩大口径取D=60mm，以此来提高系统辐照均匀性。这种方法不但没有给加工环节增加难度，反而由于光学积分器口径的扩大，使小元素透镜口径变大，略微降低了加工难度。

2.5 投影镜离焦对均匀性的影响

当场镜和投影镜的间距一定时，光学积分器的边缘光通道和中心光通道在辐照面中心处成像光线离散尺寸相等且最大，在辐照面边缘成像光线离散尺寸最小且相等，这种辐照面中心到边缘成像光线的离散尺寸由大变小，有利于提高辐照均匀性[2]。利用这种补偿方法，在光学积分器相对孔径较大时也能获得较好的辐照均匀度。因此，投影镜组阵列最佳离焦，可以提高系统辐照面均匀性。