CN101441326A - 模拟太阳照射光源的变焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光照射装置，特别是一种模拟太阳照射光源的变焦装置，其包括：氙灯、汇聚氙灯光的球面反光镜、光学积分器和准直镜，所述球面反光镜将氙灯所发的光汇聚至光学积分器，所述光学积分器将入射的光变成多个相互叠加的强度均匀的发散的光柱照射于准直镜而成多束光射出，所述多束光交汇于远离准直镜的同一平面上，其特征在于：所述光学积分器为可调焦距光学积分器；所述准直镜为球面反射镜。通过调节光学积分器中的投影镜阵列到场镜阵列的距离以及球面反射镜的偏摆角度，使投影镜阵列中的各个透镜的光完全重合汇聚于移动的目标物上从而可获取不同季节、日期和时刻下的日光照射影像。
Description
技术领域
本发明涉及一种光照射装置，特别是一种模拟太阳照射光源的变焦装置。
背景技术
在光散射测量系统中，需要一个模拟太阳照射的光源，产生一束像太阳一样的大直径均匀的平行强光，用于准确照射远处物体，模拟测试阳光照射下及激光照射下的光散射特性，以便获取不同季节、日期和时刻下的日光照射影像，所获得的影像将用于识别高空飞行物。该设备是空间环境模拟试验设备的一部分。
经检索，目前国内有关模拟太阳照射的光源的变焦装置主要用于硅光电池的性能测试装置中，例如专利号200620059907.6太阳光模拟与太阳电池性能测定组合装置提供一种太阳光模拟与太阳电池性能测定组合装置，其中，所述模拟太阳光部分组件包括氙灯、电子式氙灯电源、电子触发器、反光镜、辐照计，所述氙灯与反光镜相对设置，并通过电子触发器与电子式氙灯电源相连接，所述辐照计与反光镜反射氙灯光线的方向相对设置。该装置作为光源部分是由球面反光镜和氙灯简单构成，由于氙灯电极的阻挡作用，经球面反光镜反射后的平行光是不均匀的，中心存在较弱的光照区。为了使光照均匀，一般采用光积分器，将垂直于平行光的光照平面分成多个小区，每一小区的光强近似为均匀，再将各个小区放大重叠经准直镜形成均匀的平行光。由于硅光电池的性能测试装置中所用太阳模拟器的功率较小，被照射物位置不变，光积分器的冷却问题采用风冷即可解决，且无需调焦。
对于大功率用于空间技术的太阳模拟器，在20世纪70年代，美国采用离轴准直光学系统。德国在80年代也采用离轴准直光学系统研制出了技术先进的大型太阳模拟器。
在专利号200610142125.3种公开了一种太阳模拟器，其中包括：多个氙灯(41～4n)；对所述各氙灯(41～4n)配备的多个光量传感器(S1～Sn)；和对所述各氙灯(41～4n)配备的、用于控制流经该氙灯(41～4n)的电流或对该氙灯施加的电压多个控制电路(7)，使基于所述各光量传感器(S1～Sn)的检测信号反馈到所述各控制电路(7)，控制该控制电路(7)，来控制所述各氙灯(41～4n)的光量。由此提供太阳模拟器，在具备多个氙灯作为电源的太阳模拟器中，能够通过各氙灯稳定地获得所期望的光量，且能够使有效照射面中的照度均匀化。采用多个氙灯无疑将使结构复杂。
中国空间技术研究院曾公开该院设计制造的30kW KM6太阳模拟器，选用了离轴准直光学系统，其结构由灯室(包括支架、聚光系统、水冷档板)、平面反射镜组件、光学积分器、真空密封窗口和准直镜组成。聚光系统由19个氙灯单元组成，每个氙灯单元用25kW水冷短弧氙灯做光源，每个光源配备一个由水冷却的椭球聚光镜和调节机构。冷却系统十分复杂。积分器等光学组件采用低压水冷和低压氮气冷却系统冷却。该装置在距准直镜中心16532mm处的参考平面内，以太阳模拟器准直镜光轴与参考平面交点为圆心的
范围内，子午面内的辐照不均匀度为±5.55％，弧矢面内辐照不均匀度不大于±2.72％；在
空间内，辐照不均匀度为±6.59％。该装置由于积分器焦距不能调，无法用于移动目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述不足，而提供一种结构简单，光照均匀的，距离可调节的可用于移动目标的模拟太阳照射光源的变焦装置。
本发明所提供的模拟太阳照射光源的变焦装置是由如下技术方案来实现的。
一种模拟太阳照射光源的变焦装置，包括：氙灯、汇聚氙灯光的球面反光镜、光学积分器和准直镜，所述球面反光镜将氙灯所发的光汇聚至光学积分器，所述光学积分器将入射的光变成多个相互交叉叠加的强度均匀的发散的光柱照射于准直镜而成而成多束光射出，所述多束光交汇于远离准直镜的同一平面上，其特征在于：所述光学积分器为可调焦距光学积分器；所述准直镜为球面反射镜。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反光镜的光轴与所述光学积分器的光轴垂直相交，于交点处设有与光轴成45’的平面反射镜。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述可调焦距光学积分器是由场镜阵列和投影镜阵列组成，每个阵列由多个焦距相等的正六边形平凸透镜组成，并设置于蜂窝状结构的金属框架板内；所述场镜阵列和投影镜阵列的蜂窝状结构的金属框架板设置于一金属筒内，其中：所述场镜阵列金属框架板与所述金属筒固定，而所述投影镜阵列金属框架板通过位置调节装置滑设于所述金属筒内，且所调节的场镜阵列和投影镜阵列之间的距离稍大于所述正六边形平凸透镜焦距。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板的多个孔上均固设有的正六边形金属筒，且所述构成场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板的孔上的正六边形金属筒相互套插设置。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：于所述设有金属框架板的金属筒的外周面上贴设半导体制冷板冷端，半导体制冷板的外表面热端设有外筒，所述外筒上设有散热片；所述正六边形平凸透镜采用耐高温的石英玻璃制成。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述投影镜阵列金属框架板的位置调节装置是丝杆螺母调节装置，具体是：于所述滑设投影镜阵列金属框架板的金属筒上设有滑槽，滑槽的两端设有固定支架，所述投影镜阵列金属框架板上固设有一滑块，所述滑块滑设于所述滑槽内且外伸凸出于所述金属筒外，且于滑块的外伸部分上设有螺孔，一设有手轮的丝杠螺设于所述螺孔并可转动地固定于二支架上。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述正六边形平凸透镜焦距为300mm～350mm，优选330mm。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述汇聚氙灯光的球面反光镜是椭球面反光镜。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反射镜的焦距大于10倍正六边形平凸透镜焦距，且所述球面反射镜与所述投影镜的距离等于球面反射镜的焦距。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反射镜的背面设有驱动球面反射镜绕中轴线与镜面交点偏转的偏转装置。
所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述的偏转装置是电机驱动的齿轮或蜗轮蜗杆。
本发明的优点在于：
1、本发明通过调节光学积分器中的投影镜阵列到场镜阵列的距离以及球面反射镜的偏摆角度，使投影镜阵列中的各个透镜的光完全重合汇聚于移动的目标物上从而可获取不同季节、日期和时刻下的日光照射影像。
2、光学积分器采用半导体制冷，简化了复杂的水冷和液氮冷却系统，是装置的成本大大降低。
为对本发明的结构特征及其功效有进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明模拟太阳照射光源的变焦装置的结构示意图。
图2是本发明模拟太阳照射光源的变焦装置中的光学积分器的截面示意图。
图3是光学积分器的纵剖面图，显示内部结构。
图4是另一种结构的光学积分器的纵剖面图。
图5是单镜成像光路图，反光镜与透镜同轴。
图6是反光镜与透镜不同轴时的单镜成像光路图，
图7是光学积分器的光路图反光镜与光学积分器不同轴。
具体实施方式
图1是本发明所提供的光照均匀的，距离可调节的可用于移动目标的模拟太阳照射光源的变焦装置的结构示意图。由图可见，本发明所提供的模拟太阳照射光源的变焦装置，包括：球面反光镜1氙灯2、光学积分器4和准直镜5，所述球面反光镜1为椭球反光镜，所述氙灯2设于椭球面反光镜1焦点上，椭球面反光镜1将氙灯2所发的光汇聚到椭球的另一焦点，在椭球的二焦点之间设置所述光学积分器4，所述球面反光镜将氙灯所发的光汇聚至光学积分器4，所述光学积分器4将入射的光变成多个相互交叉叠加的强度均匀的发散的光柱照射于准直镜5上，经由准直镜5而成多束大致平行于光轴的光射出，所述多束光交汇于远离准直镜5的平面上：为了得到不同的多束光交汇平面与准直镜5的距离，即照射光源的照射距离，所述光学积分器4为可调焦距光学积分器；为了改变照射光源的照射角度，所述准直镜5为球面反射镜。通过偏转球面反射镜即可或的不同的照射角度。
在图1所示具体实施例中，所述球面反光镜1的光轴与所述光学积分器4的光轴垂直相交，于交点处设有与光轴成45’的平面反射镜3。由球面反光镜1射出的光经平面反射镜反射至光学积分器4。
本发明的上述装置安装于基座7上，基座底部设有供移动的滚轮8和防止移动的螺旋支撑9。
图2、图3是本发明模拟太阳照射光源的变焦装置中的光学积分器的截面示意图和纵剖面图。由图可见，本发明所述的可调焦距光学积分器4是由场镜阵列41和投影镜阵列42组成，每个阵列由多个焦距相等的正六边形平凸透镜43组成，并设置于蜂窝状结构的金属框架板44、45内；所述场镜阵列41和投影镜阵列42的蜂窝状结构的金属框架板44、45设置于一金属筒46内，其中：所述场镜阵列金属框架板44与所述金属筒46固定，而所述投影镜阵列金属框架板45通过位置调节装置6滑设于所述金属筒46内，且所调节的场镜阵列41和投影镜阵列42之间的距离稍大于所述正六边形平凸透镜43的焦距f1。通过位置调节装置的调节，所述投影镜阵列42沿光轴在稍大于但接近于平凸透镜43的焦距的范围内调节，以使场镜阵列41中的各个正六边形平凸透镜43的光亮的正六边形通过投影镜阵列42对应的焦距为f1的平凸透镜成像于远离投影镜阵列的平面上。根据几何光学的公式：1/焦距＝1/物距+1/像距，可确定位置调节装置的调节范围。所述正六边形平凸透镜焦距f1为300mm～350mm，优选330mm。若像距为20～50m则物距(即场镜阵列与投影镜阵列之间的距离为339mm～335.5mm。所述蜂窝状结构及平凸透镜的形状也可以采用圆柱形，但是从最大限度利用光能的角度，减少损失，采用正六边形最佳。
图4提供了另一种可调焦距光学积分器的结构，在图4所示可调焦距光学积分器中，所述场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板44、45的多个孔上均固设有的正六边形金属筒48、49，且所述构成场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板的孔上的正六边形金属筒48、49相互套插设置。
由于通过光学积分器的光能量很大，工作时，光学积分器的温度很高，必须对其进行冷却，一般采用水冷加液氮，冷却装置的结构复杂，成本很高，本发明为了降低成本，采用半导体制冷加风冷，具体是，于所述设有金属框架板的金属筒46的外周面上贴设半导体制冷板50冷端，半导体制冷板50的外表面热端设有外筒47，所述外筒47上设有散热片51；而所述正六边形平凸透镜采用耐高温的石英玻璃制成，能承受1200度的高温。
所述投影镜阵列金属框架板的位置调节装置6是丝杆螺母调节装置，具体是：于所述滑设投影镜阵列金属框架板的金属筒46上设有滑槽461，滑槽的两端设有固定支架462、463，所述投影镜阵列金属框架板45上固设有一滑块451，所述滑块滑451设于所述滑槽461内且外伸凸出于所述金属筒46外，且于滑块的外伸部分上设有螺孔452，一设有手轮61的丝杠62螺设于所述螺孔452并可转动地固定于二支架462、463上。
所述改变照射光源的照射角度的球面反射镜的焦距大于10倍正六边形平凸透镜焦距，且所述球面反射镜与所述投影镜阵列42的距离等于球面反射镜的焦距。即若投影镜阵列42与球面反射镜同轴，即投影镜阵列42位于球面反射镜的焦点上，如果投影镜阵列42中心的正六边形平凸透镜相对于球面反射镜的焦距很小，近似为一点时，则由平凸透镜射出的光经球面反射镜反射后为一组平行于球面反射镜光轴的平行光。场镜阵列41中心的正六边形平凸透镜通过投影镜阵列42中心的正六边形平凸透镜所成的像经球面反射镜反射的成像光路图示于图5、图6，其中图6反光镜与光学积分器不同轴。根据图6光路、所需光照面积和距离，利用几何和三角公式可求出球面反射镜的焦距和面积以及投影镜阵列42与场镜阵列41之间的距离。
为了获得不同照射角度，所述球面反射镜的背面设有驱动球面反射镜绕中轴线与镜面交点偏转的偏转装置。所述的偏转装置是电机驱动的齿轮或蜗轮蜗杆。图6是反光镜偏转后与透镜不同轴时的单镜成像光路图。
图7是用光学积分器中两个正六边形平凸透镜的光路成像图，反光镜与光学积分器不同轴。由图7可见，当投影镜阵列42位于L1时，在无准直镜时，场镜阵列中的二相邻正六边形平凸透镜的成像为R1、R2，经球面反射镜的准直镜反射后，成像为S1、S2；当移动投影镜阵列42，使其接近正六边形平凸透镜的焦距时，经球面反射镜的准直镜反射后，成像为T1、T2；其中，T1、T2之间的距离小于S1、S2之间的距离。即相对于光学积分器中的场镜阵列41和投影镜阵列42之间的不同距离，场镜阵列41中各个发光正六边形平凸透镜经投影镜阵列42及球面反射镜所成各像之间的距离也不同，通过调节投影镜阵列42与场镜阵列41之间的距离可以调节各个发光正六边形平凸透镜成像的重合程度，从而达到整个光烛光强均匀一致。
Claims (10)
1、一种模拟太阳照射光源的变焦装置，包括：氙灯、汇聚氙灯光的球面反光镜、光学积分器和准直镜，所述球面反光镜将氙灯所发的光汇聚至光学积分器，所述光学积分器将入射的光变成多个相互叠加的强度均匀的发散的光柱照射于准直镜而成而成多束光射出，所述多束光交汇于远离准直镜的同一平面上，其特征在于：所述光学积分器为可调焦距光学积分器；所述准直镜为球面反射镜。
2、根据权利要求1所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反光镜的光轴与所述光学积分器的光轴垂直相交，于交点处设有与光轴成45’的平面反射镜。
3、根据权利要求1或2所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述可调焦距光学积分器是由场镜阵列和投影镜阵列组成，每个阵列由多个焦距相等的正六边形平凸透镜组成，并设置于蜂窝状结构的金属框架板内；所述场镜阵列和投影镜阵列的蜂窝状结构的金属框架板设置于一金属筒内，其中：所述场镜阵列金属框架板与所述金属筒固定，而所述投影镜阵列金属框架板通过位置调节装置滑设于所述金属筒内，且所调节的场镜阵列和投影镜阵列之间的距离稍大于所述正六边形平凸透镜焦距。
4、根据权利要求3所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板的多个孔上均固设有的正六边形金属筒，且所述构成场镜阵列金属框架板和投影镜阵列金属框架板的孔上的正六边形金属筒相互套插设置。
5、根据权利要求3所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：于所述设有金属框架板的金属筒的外周面上贴设半导体制冷板冷端，半导体制冷板的外表面热端设有外筒，所述外筒上设有散热片；所述正六边形平凸透镜采用耐高温的石英玻璃制成。
6、根据权利要求3所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述投影镜阵列金属框架板的位置调节装置是丝杆螺母调节装置，具体是：于所述滑设投影镜阵列金属框架板的金属筒上设有滑槽，滑槽的两端设有固定支架，所述投影镜阵列金属框架板上固设有一滑块，所述滑块滑设于所述滑槽内且外伸凸出于所述金属筒外，且于滑块的外伸部分上设有螺孔，一设有手轮的丝杠螺设于所述螺孔并可转动地固定于二支架上。
7、根据权利要求3所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述正六边形平凸透镜焦距为300mm～350mm，优选330mm。
8、根据权利要求或2所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述汇聚氙灯光的球面反光镜是椭球面反光镜。
9、根据权利要求3所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反射镜的焦距大于10倍正六边形平凸透镜焦距，且所述球面反射镜与所述投影镜的距离等于球面反射镜的焦距。
10、根据权利要求9所述的模拟太阳照射光源的变焦装置，其特征在于：所述球面反射镜的背面设有驱动球面反射镜绕中轴线与镜面交点偏转的偏转装置；所述的偏转装置是电机驱动的齿轮或蜗轮蜗杆。
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Inventor after: Hu Guohua Inventor after: Deng Rong Inventor after: Fan Xiaoli Inventor after: Su Bida Inventor after: Wang Jingfeng Inventor after: Zhao Kang Inventor before: Hu Guohua Inventor before: Deng Rong Inventor before: Fan Xiaoli Inventor before: Su Bida |
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HU GUOHUA DENG RONG FAN XIAOLI SU BIDA TO: HU GUOHUA DENG RONG FAN XIAOLI SU BIDA WANG JINGFENG ZHAO KANG |
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