CN104914571A - 太阳模拟器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳模拟器光学系统，包括氙灯、椭球面聚光镜、第一平面反射镜、光学积分器、光学滤光片、第二平面反射镜、离轴抛物面反射镜和外壳。氙灯位于椭球面聚光镜第一焦点处，光学积分器为对称式结构，由两组元素透镜阵列组成，前组透镜为积分器场镜，位于椭球面聚光镜的第二焦点处，后组透镜为积分器投影透镜，位于准直镜前焦面处；离轴抛物镜为系统准直镜。系统采用两块平面反射镜，可有效折叠光路，压缩光路尺寸；系统为离轴反射准直系统，光束准直角较大，辐射均匀性较高，且不存在输出光束中心遮拦问题；系统搭建的框架为镜像的“4”，这种光路结构可根据设计需求灵活地调节出射光束中心高度。

Description

太阳模拟器光学系统

技术领域

本发明属于照明光学设计领域，具体涉及一种太阳模拟器光学系统。

背景技术

太阳模拟技术是随着空间技术以及太阳能利用技术而不断发展起来的新兴学科，是一门利用人工光源模拟太阳光辐照特性的技术。太阳模拟器是太阳模拟技术发展与应用的最好的体现。太阳模拟器是太阳敏感器地面模拟试验和性能测试与标定的重要设备。太阳模拟器可用来模拟空间环境，在地面上模拟太阳光辐照特性，提供与太阳光谱相匹配的、均匀的、准直稳定且具有一定辐照度的光源。太阳模拟技术的发展与我国空间科学技术的发展密切相关，太阳模拟器已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。

迄今为止，随着太阳模拟技术的发展，太阳模拟器在众多领域起着越来越重要的作用。在气象领域中，太阳模拟器可用于与太阳辐射测量有关的气象传感器的室内测试与标定试验。在航空航天方面，太阳模拟器侧重于模拟太阳的视张角，多用于空间飞行器的环境模拟试验。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地完成航天器热平衡试验，特别是形状复杂、热耦合关系复杂的航天器的热平衡试验。在其他方面，例如卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定、地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标、太阳能电池的检测与标定、农业科学中研究植物发育和培育良种等，太阳模拟器都有很大的应用价值。

值得注意的是，不同领域的应用对太阳光辐照的要求是不同的，因此对太阳模拟器光学系统的结构要求也是不一样的。通常情况下，对于要求光束出射口径较大、最大辐照度达到一个太阳常数的太阳模拟器，其经常采用离轴系统，不可避免的是此时的椭球面聚光镜的两焦点间距以及离轴反射镜的焦距都是很长的，因此搭建的光路会很长，太阳模拟器尺寸很大；且在实验室内利用此类太阳模拟器对仪器进行定标的时候一般会有仪器中心高的问题，常常在设计光路的时候这两者是不易兼得的。而在实验室内对类似空间相机等仪器进行定标的时候，要求太阳模拟器尺寸合理，能够在室内工作，且出射光束的中心高要满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳模拟器光学系统，能够满足光束出射口径较大、最大辐照度达到一个太阳常数等指标，同时使太阳模拟器尺寸合理，且随着光束中心高的要求不同可灵活调节光路。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种太阳模拟器光学系统，光学系统结构形似镜像的数字“4”，包括氙灯、椭球面聚光镜、第一平面反射镜、光学积分器组件、滤光片、第二平面反射镜、离轴抛物面反射镜和外壳；氙灯、椭球面聚光镜、第一平面反射镜、光学积分器组件、滤光片、第二平面反射镜和离轴抛物面反射镜均置于外壳内，外壳一侧设有出光口，所述光学积分器组件采用对称式结构，由两组元素透镜阵列组成，每组元素透镜阵列均由多个六边形元素透镜紧密相接排列形成，前组透镜为积分器场镜，后组透镜为投影透镜；氙灯位于椭球面聚光镜第一焦点处，积分器组件的积分器场镜位于椭球面聚光镜的第二焦点处，投影透镜位于离轴抛物面反射镜的前焦面处，第一平面反射镜位于氙灯和积分器场镜之间，光学滤光片位于积分器组件投影透镜后，第二平面反射镜位于光学滤光片和离轴抛物面反射镜之间；氙灯发出的光线经椭球面聚光镜反射后到达第一平面反射镜，并经由第一平面反射镜折转后汇聚投影到积分器组件的积分器场镜上，再经过投影透镜后变为均匀光束；投影透镜出射的均匀光束通过光学滤光片，氙灯光谱得到修正，保证出射光束的光谱接近太阳光谱；其后光束经过第二平面反射镜反射折转到达离轴抛物面反射镜上，最终经离轴抛物面反射镜的反射，光束通过外壳的出光口准直出射。

第一平面反射镜和第二平面反射镜位于“4”字镜像的两个拐点处，主要的作用为折转光路，压缩光学系统轴向尺寸；第一平面反射镜使光轴折转的角度小于45度。

选定系统原点后，定义：椭球面聚光镜第一焦点F₁到系统原点的距离d，椭球面聚光镜两焦点F₁与F₂的间距ΔF₁F₂，离轴抛物面反射镜焦距f以及离轴角θ₀，离轴抛物面反射镜的中心到系统原点的垂直距离D和水平距离△L，积分器组件元素透镜的焦距f_积，离轴抛物面反射镜中心到第二平面反射镜中心的距离L；

第二平面反射镜中心到离轴抛物面反射镜中心的垂直距离a=Lsinθ₀，第二平面反射镜到系统原点的垂直距离D-a，第二平面反射镜中心到系统原点的水平距离b=Lcosθ₀-△L，离轴抛物面反射镜焦点到第二平面反射镜中心的距离为f-L，第一平面反射镜中心到椭球面聚光镜第二焦点距离第一平面反射镜中心到系统原点距离△F₁F₂-x+d，第一平面反射镜使光轴折转角度第一平面反射镜与垂直方向夹角第二平面反射镜使光轴折转第二平面反射镜与垂直方向的夹角

本发明与现有技术相比，其显著优点：

该光学系统采用了两块折转反射镜，大大缩短光学系统轴向尺寸，从而使得太阳模拟器的结构更为紧凑；在搭建系统光路时采用了镜像的“4”字式的方案，这种光路搭建方法的好处是可以根据出射光束中心高的要求来灵活调节光路结构中各元件的摆放位置，且结构简单、便于计算。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的太阳模拟器光学系统结构示意图。

图2是图1中光学系统结构中各元件设计位置计算的几何示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的太阳模拟器光学系统包括氙灯1、椭球面聚光镜2、第一平面反射镜3、光学积分器组件4、滤光片5、第二平面反射镜6、离轴抛物面反射镜7和外壳8，氙灯1、椭球面聚光镜2、第一平面反射镜3、光学积分器组件4、滤光片5、第二平面反射镜6和离轴抛物面反射镜7均置于外壳8内，外壳8一侧设有出光口。所述光学积分器组件4采用对称式结构，由两组元素透镜阵列组成，每组元素透镜阵列均由多个六边形元素透镜紧密相接排列形成，前组透镜为积分器场镜9，后组透镜为投影透镜10；氙灯1位于椭球面聚光镜2第一焦点处，椭球面聚光镜2的光轴竖直向上；第一平面反射镜3位于氙灯1与椭球面聚光镜2第二焦点之间，第一平面反射镜3使光轴折转，折转的角度小于45度；积分器组件4的积分器场镜9位于椭球面聚光镜2的第二焦点处，投影透镜10位于离轴抛物面反射镜7的前焦面处，光学滤光片5位于积分器组件4投影透镜10后；第二平面反射镜6位于光学滤光片5和离轴抛物面反射镜7之间，使被第一平面反射镜3折转后的光轴再次折转一个锐角，该角度与离轴抛物面反射镜7的光轴方向有关，本发明中离轴抛物面反射镜7的光轴沿水平方向。

工作原理说明：氙灯氙弧发出辐射光，经椭球面聚光镜反射并以一定的包容角汇聚，再通过第一平面反射镜反射使得光路折转，光源成像到到椭球面聚光镜的第二焦面上。积分器前组小透镜位于椭球面聚光镜的第二焦面上，前后组小透镜互在对方的焦面处，相应的前后组小透镜构成一个光学通道。前组小透镜接收到光源像，并将其对称分割，在后组对应的透镜上形成与分割次数相同的二次光源像，经过投影透镜作用后，投影透镜的出射光束经过第二平面反射镜折转后到达离轴抛物面反射镜，经反射后沿水平方向以一定的准直角出射，最终在辐照面上形成较均匀的辐照。

本发明采用镜像“4”字式的光学系统结构，其各元件在光轴上的位置计算方法几何示意图如图2所示。图中各参数含义如下：

D：出射光束中心到原点距离（出射光束中心高）

d：椭球面聚光镜2第一焦点到原点距离为d；

ΔF₁F₂：椭球面聚光镜2两焦点间距；

X：第一平面反射镜3到椭球面聚光镜2第二焦点距离；

f：离轴抛物面反射镜7焦距；

θ₀：离轴抛物面反射镜7离轴角；

θ₁：光轴经第一平面反射镜3折转后的折转角；

θ₂：光轴经第二平面反射镜6折转后的折转角；

f_积：积分器组件4两透镜阵列间距；

L：离轴抛物面反射镜7中心到第二平面反射镜6中心的距离；

△L：离轴抛物面反射镜7中心到椭球反射镜2光轴的垂直距离；

a：第二平面反射镜6中心到离轴抛物面反射镜7中心的垂直距离；

b：第二平面反射镜6中心到系统原点的水平距离；

f-L：第二平面反射镜6中心到离轴抛物面反射镜7焦点的距离；

在涉及具体的光路时，根据技术指标，可提取D的数值；根据指标选择出合适的椭球面聚光镜2以及离轴抛物面反射镜7，得到参数d、ΔF₁F₂、θ₀、f；再根据所选择的椭球面聚光镜2以及离轴抛物面反射镜7，依照光瞳衔接原理计算积分器组件4元素透镜的焦距，即可得到f_积；本着压缩光路轴向尺寸的目的，在不遮挡出射光束的前提下，选择第二平面反射镜6的摆放位置，即确定参数L。至此，即可将得到的所有参数带进式（1）和式（2）中，解方程式（2），得出未知量X的值，代入（3）式，得出θ₁、θ₂，即可确定光路中所有元件在光轴方向上的位置，从而确定光路中所有参数。

a=Lsinθ₀;b=Lcosθ₀-△L;…………………………………………………（1）

故，根据勾股定理，可得如下方程:

(△F₁F₂+d-D+a-x)²+b²=(X+f_积+f-L)²；…………………………（2）

与平面反射镜位置确定有关的角度可由下式得到：

进而得到：

第一平面反射镜3与竖直方向的夹角为

第一平面反射镜3中心到系统原点距离为△F₁F₂-X+d；

第二平面反射镜6到系统原点的垂直距离为D-a；

第二平面反射镜6与垂直方向的夹角为

本发明能够在满足太阳模拟器技术指标的前提下，合理的折叠光路，缩减光学系统轴向尺寸，并且可以根据出射光束中心高的要求来灵活调节光路结构中各元件的摆放位置，且结构简单、便于计算。

Claims (3)

1.一种太阳模拟器光学系统，其特征在于：光学系统结构形似镜像的数字“4”，包括氙灯（1）、椭球面聚光镜（2）、第一平面反射镜（3）、光学积分器组件（4）、滤光片（5）、第二平面反射镜（6）、离轴抛物面反射镜（7）和外壳（8）；氙灯（1）、椭球面聚光镜（2）、第一平面反射镜（3）、光学积分器组件（4）、滤光片（5）、第二平面反射镜（6）和离轴抛物面反射镜（7）均置于外壳（8）内，外壳（8）一侧设有出光口，所述光学积分器组件（4）采用对称式结构，由两组元素透镜阵列组成，每组元素透镜阵列均由多个六边形元素透镜紧密相接排列形成，前组透镜为积分器场镜（9），后组透镜为投影透镜（10）；氙灯（1）位于椭球面聚光镜（2）第一焦点处，积分器组件（4）的积分器场镜（9）位于椭球面聚光镜（2）的第二焦点处，投影透镜（10）位于离轴抛物面反射镜（7）的前焦面处，第一平面反射镜（3）位于氙灯（1）和积分器（4）场镜之间，光学滤光片（5）位于积分器组件（4）投影透镜后，第二平面反射镜（6）位于光学滤光片（5）和离轴抛物面反射镜（7）之间；氙灯（1）发出的光线经椭球面聚光镜（2）反射后到达第一平面反射镜（3），并经由第一平面反射镜（3）折转后汇聚投影到积分器组件（4）的积分器场镜（9）上，再经过投影透镜（10）后变为均匀光束；投影透镜（10）出射的均匀光束通过光学滤光片（5），氙灯光谱得到修正，保证出射光束的光谱接近太阳光谱；其后光束经过第二平面反射镜（6）反射折转到达离轴抛物面反射镜（7）上，最终经离轴抛物面反射镜（7）的反射，光束通过外壳（8）的出光口准直出射。

2.根据权利要求1所述的太阳模拟器光学系统，其特征在于：第一平面反射镜（3）和第二平面反射镜（6）位于“4”字镜像的两个拐点处，主要的作用为折转光路，压缩光学系统轴向尺寸；第一平面反射镜（3）使光轴折转的角度小于45度。

3.根据权利要求1所述的太阳模拟器光学系统结构，其特征在于，选定系统原点后，定义：椭球面聚光镜（2）第一焦点F₁到系统原点的距离d，椭球面聚光镜（2）两焦点F₁与F₂的间距ΔF₁F₂，离轴抛物面反射镜（7）焦距f以及离轴角θ₀，离轴抛物面反射镜（7）的中心到系统原点的垂直距离D和水平距离△L，积分器组件（7）元素透镜的焦距f_积，离轴抛物面反射镜（7）中心到第二平面反射镜（6）中心的距离L；

第二平面反射镜（6）中心到离轴抛物面反射镜（7）中心的垂直距离a=Lsinθ₀，第二平面反射镜（6）到系统原点的垂直距离D-a，第二平面反射镜（6）中心到系统原点的水平距离b=Lcosθ₀-△L，离轴抛物面反射镜（7）焦点到第二平面反射镜（6）中心的距离为f-L，第一平面反射镜（3）中心到椭球面聚光镜（2）第二焦点距离第一平面反射镜（3）中心到系统原点距离△F₁F₂-x+d，第一平面反射镜（3）使光轴折转角度第一平面反射镜（3）与垂直方向夹角第二平面反射镜（6）使光轴折转第二平面反射镜（6）与垂直方向的夹角