太阳模拟器光学系统技术方案

一种太阳模拟器光学系统，包括：氙灯、椭球面反射镜、光学积分器、可变光阑、准直透镜和辐照面，组成共光轴的光学系统。光学积分器位于椭球面反射镜的第一焦点和第二焦点之间、且相对于椭球面反射镜第二焦点沿光轴方向离焦一定距离的位置，准直透镜位于接近可变光阑的位置，可变光阑位于光学积分器和准直透镜之间，辐照面位于准直透镜的后焦面位置。本发明专利技术可以有效解决在先技术的太阳模拟器体积过大、光学积分器寿命过短的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非成像系统，特别是一种太阳模拟器光学系统。
技术介绍
太阳模拟器是一种在室内利用人工光源模拟太阳光辐照特性的实验定标设备，已 在空间技术、遥感技术、气象监测和太阳能发电产业等诸多领域得到了广泛应用。太阳模拟 器已经成为我国空间科学在地面进行空间环境模拟试验研究的重要组成部分。太阳模拟器 多用于空间飞行器的地面环境模拟试验，是空间环境模拟设备的主要组成部分，为航天器 提供与太阳光谱分布相匹配的，并且均匀稳定的光辐照。在航天器真空热环境试验中，太 阳模拟器是最真实准确的热流模拟手段，应用太阳模拟器可以高精度的完成航天器热平衡 试验，特别是对形状复杂、热耦合关系复杂的航天器的热平衡试验，必须用太阳模拟器来完 成。 太阳能光伏发电领域光电转换器件太阳电池的检测，遥感
中室内模拟太 阳光谱辐照，生物科学领域研究植物发育与培育良种等等，都在应用太阳模拟器。当然，不 同领域的应用对太阳光辐照的要求不尽相同，因此，对太阳模拟器光学系统的指标要求也 是不同的。 在先技术，日本在中国申请的PCT专利CN201380013598. 1(山下电装株式会社）， 和中国专利技术专利CN201110452084. 9、CN201010224117. X，公开的太阳模拟器光学系统包括： 氣灯、椭球面反射镜、光学积分器、光阑、准直物镜等。其中光学积分器由2个透镜阵列（也 称为复眼透镜）构成，其第一个透镜阵列用作场镜，其第二个透镜阵列作为投影镜，透镜阵 列一般采用胶和方式制作。 氙灯位于椭球面反射镜的第一焦点处，光学积分器中的场镜位于椭球面反射镜的 第二焦点（或第二焦面）处。椭球面反射镜的作用是将氙灯的光汇聚到位于第二焦点的光 学积分器的场镜上。这样的技术方案，将产生2个主要的问题：光学系统结构较长、光学积 分器处的能量密度较大，将导致太阳模拟器体积过大、光学积分器寿命过短等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种太阳模拟器光学系统，米用光学积分器相对于椭球面 反射镜第二焦点沿光轴方向离焦的方法，可以有效解决在先技术的太阳模拟器体积过大、 光学积分器寿命过短等问题。 本专利技术的目的是这样实现的： -种太阳模拟器光学系统，包括：氣灯、椭球面反射镜、光学积分器、可变光阑、准 直透镜和辐照面，椭球面反射镜的第一焦点和第二焦点的连线定义为太阳模拟器光学系统 的光轴，氙灯的发光中心位于椭球面反射镜的第一焦点，光学积分器包括第一透镜阵列和 第二透镜阵列，第一透镜阵列和第二透镜阵列的中心在光轴上，可变光阑的中心在光轴上， 准直透镜的中心在光轴上，组成共光轴的光学系统，其特点在于，光学积分器位于椭球面反 射镜的第一焦点和第二焦点之间、且相对于所述的椭球面反射镜第二焦点沿所述的光轴方 向，向第一焦点方向离焦249~251mm，准直透镜位于接近可变光阑的位置，可变光阑位于 光学积分器3和准直透镜5之间，辐照面位于准直透镜的后焦面位置。 所述的光学积分器的第一透镜阵列的后表面相对于第二透镜阵列的前表面距离 为58. 37mm，福照面距离准直透镜后表面为602mm。 本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 1、本专利技术的太阳模拟器光学系统，光学积分器相对于椭球面反射镜第二焦点沿光 轴方向离焦，准直透镜接近光学积分器放置，可以大大缩短光学系统的长度，可以有效解决 在先技术太阳模拟器体积过大问题； 2、本专利技术的太阳模拟器光学系统，光学积分器位于远离椭球面反射镜第二焦点的 位置，辐射能量密度相对较低，对光学积分器玻璃材料和胶合材料的技术要求相对降低，可 以有效解决在先技术太阳模拟器寿命过短问题。【附图说明】 图1为本专利技术的太阳模拟器光学系统的结构示意图； 图2为本专利技术的图1中3、4、5的放大结构示意图； 图3为本专利技术的图1中光学积分器3的结构示意图。【具体实施方式】 以下将对本专利技术的太阳模拟器光学系统做进一步的详细描述。 本专利技术太阳模拟器光学系统，如图1所不，包括：氣灯1、椭球面反射镜2、光学积分 器3、可变光阑4、准直透镜5、辐照面6,椭球面反射镜2的第一焦点F1和第二焦点F2的连 线定义为太阳模拟器光学系统的光轴，氙灯1的发光中心位于椭球面反射镜2的第一焦点 F1，可变光阑4的中心在光轴上，准直透镜5的中心在光轴上，组成共光轴的光学系统。 如图2和图3所示，光学积分器3包括第一透镜阵列231和第二透镜阵列232,第 一透镜阵列231和第二透镜阵列232的中心在所述的的太阳模拟器光学系统光轴上，第一 透镜阵列231和第二透镜阵列232均由一系列透镜单元通过侧壁胶合方式形成折射式阵列 光学组件，每个透镜单元都是平凸透镜，其4个侧壁构成为正方形形状，前后2个表面是光 学表面。第一透镜阵列231和第二透镜阵列232反方向安装，即每个透镜单元的平面相对 安装。 如图1所示，所述的的太阳模拟器光学系统，光学积分器3位于椭球面反射镜2的 第一焦点F1和第二焦点F2之间、且相对于椭球面反射镜2第二焦点F2沿光轴方向离焦一 定距离的位置（向第一焦点F1方向），准直透镜5位于接近可变光阑4的位置，可变光阑4 位于光学积分器3和准直透镜5之间，辐照面6位于准直透镜5的后焦面位置。 氙灯1的功率为1600W，氙灯1的发光中心位于椭球面反射镜2的第一焦点F1。 椭球面反射镜2的基体材料选用锻铝，内表面抛光后镀镍，然后镀铝反射膜和二 氧化硅保护膜，椭球面反射镜2的内表面反射率为大于93%。椭球面反射镜2的第一焦距 为60mm，第二焦距为800mm，口径为360mm，底部通孔的直径为75mm(用于安装氣灯）。 光学积分器3,包括2个完全相同的第一透镜阵列231和第二透镜阵列232,二者 的间距为58. 37mm，即第一透镜阵列231的后表面相对于第二透镜阵列232的前表面距离 为58. 37_，两个透镜阵列的透镜单元的数量都为13 X 13,每个透镜单元都是平凸透镜，前 后表面分别镀增透膜，凸面的半径为32. 21_，中心厚度为6_，材料采用K9光学玻璃。 光学积分器3的第一透镜阵列231的前表面相对于椭球面反射镜2第二焦点F2 沿光轴方向离焦249~251mm(向第一焦点F1方向）。 准直透镜5,材料采用K9光学玻璃，前表面半径为-8318mm，后表面半径 为-300. 6mm，前后表面分别镀增透膜，中心厚度为50mm，焦距为602mm。根据公知常识，采用 合适的冕玻璃和火石玻璃的双胶合镜，可以在一定孔径范围内消除位置色差、球差和正弦 差，将有更好的效果，但是，本专利技术重点描述光学积分器3离焦所产生的良好效果，所以，没 有描述用所述的的双胶合镜取代K9光学玻璃构成准直透镜5的方案，这不影响本专利技术的意 义。 辐照面6距离准直透镜5的后表面为602mm，在辐照面6上获得的照明光斑尺寸为 >160mmX160mm。本专利技术在160mmX160mm的福照面照明范围内评价照明光强均勾性。照明 光强均勾性（uniformity)的定义为： 其中，IMax指在辐照面照明范围内照明光强的最大值，IMin指在辐照面照明范围内 照明光强的最小值。 本专利技术采用Lighttools软件经过若干次的仿真计算以评估本专利技术的设计效果。 因为氙灯是比较好的点光源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳模拟器光学系统，包括：氙灯(1)、椭球面反射镜(2)、光学积分器(3)、可变光阑(4)、准直透镜(5)和辐照面(6)，所述的椭球面反射镜(2)的第一焦点(F1)和第二焦点(F2)的连线定义为该太阳模拟器光学系统的光轴，所述的氙灯(1)的发光中心位于所述的的第一焦点(F1)，所述的光学积分器包括第一透镜阵列(231)和第二透镜阵列(232)，该第一透镜阵列和该第二透镜阵列的中心在所述的光轴上，所述的的可变光阑的中心在所述的光轴上，所述的准直透镜的中心在所述的光轴上，组成共光轴的光学系统，其特征在于，所述的光学积分器位于所述的椭球面反射镜的第一焦点和第二焦点之间、且相对于所述的椭球面反射镜第二焦点沿所述的光轴方向，向第一焦点方向离焦249～251mm，所述的准直透镜位于接近所述的可变光阑的位置，所述的可变光阑位于所述的光学积分器和所述的准直透镜之间，所述的辐照面位于所述的准直透镜的后焦面位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡燕民，王向朝，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31