CN105425394A - 高能量高准直角太阳模拟器光学系统 - Google Patents
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Abstract
高能量高准直角太阳模拟器光学系统，涉及光学设计技术领域，解决现有模拟光学系统中，辐射能量在光学积分器前面的损失较大，导致太阳模拟器的辐照度通常只有0.3个太阳常数，同时存在椭球聚光镜和光学积分器处的散热性能差等问题，包括锥面聚光镜和准直光阑；椭球聚光镜和锥面聚光镜的光轴通过平面反射镜的反射面的中心；锥面聚光镜的光轴与椭球聚光镜的光轴成90度角，在锥面聚光镜的光轴上从左到右依次是光学积分器组件、准直光阑和准直物镜；光学积分器组件中的投影镜位于准直物镜的前焦面附近；准直光阑位于准直物镜的前焦面处；锥面聚光镜的外表面通过加工形成翅形的散热片。本发明的光学系统将在光学积分器组件处损失的能量降到最低。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种太阳模拟器光学系统。
背景技术
太阳模拟器是在室内模拟在不同大气质量条件下太阳光辐照特性的一种试验或定标设备。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、均匀的、准直稳定的光辐照。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。在其他方面例如太阳光伏科学与工程中光电转换器件太阳电池的检测，遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照，人造卫星飞行姿态控制用太阳角计的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等等，都在应用太阳模拟器。然而不同场所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有区别的。
通常情况下，实验室内希望太阳模拟器的光学系统能够完全模拟太阳光辐照特性，即准直角与太阳光一致同时辐照度达到一个太阳常数。但由于光学系统设计参数的相互制约，往往不能同时满足这两项指标。
与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计的太阳模拟器光学系统，如图1、图2、图3所示，包括氙灯光源1、椭球聚光镜2、平面反射镜3、光学积分器组件4、准直物镜5，其中，光学积分器组件4，结合图2，包括光胶板6和元素透镜7，一定数量的六边形元素透镜7按规则排列光胶在光胶板6上构成两组透镜，前组为场镜，后组为投影镜，结合图3，场镜和投影镜同光轴相反安装。具体结构关系是：氙灯光源1位于椭球聚光镜2的第一焦点处，平面反射镜3与椭球聚光镜2的光轴成45度角，光学积分器组件4中的场镜位于椭球聚光镜2的第二焦点处；氙灯光源1发出的光辐射通量，经椭球聚光镜2反射并以设计的包容角汇聚，再通过平面反射镜3改变方向投影到椭球聚光镜2的第二焦面上，形成一个较大范围的辐照分布；这个较大范围的辐照分布经由光学积分器组件4成像到无穷远，形成一个较均匀的辐照范围，再经准直物镜5以一定的准直角，投影到准直物镜5的后焦面附近，形成一个较均匀的辐照面。
该光学系统存在的主要问题是：虽然高准直太阳模拟器的光束准直角与太阳光一致(±16ˊ)，但为了达到与太阳光一致的准直角，高准直太阳模拟器的准直角光阑孔径非常小，使辐射能量在光学积分器前面的损失太大，导致太阳模拟器的辐照度通常只有0.3个太阳常数，最大值为0.5个太阳常数，同时椭球聚光镜和光学积分器处的散热不好。
发明内容
本发明为解决现有太阳模拟光学系统中，辐射能量在光学积分器前面的损失较大，导致太阳模拟器的辐照度通常只有0.3个太阳常数，同时存在椭球聚光镜和光学积分器处的散热性能差等问题，提供一种高能量高准直太阳模拟器光学系统。
高能量高准直太阳模拟器光学系统，包括锥面聚光镜和准直光阑；椭球聚光镜和锥面聚光镜的光轴通过平面反射镜的反射面的中心；锥面聚光镜的光轴与椭球聚光镜的光轴成90度角，在所述锥面聚光镜的光轴上从左到右依次是光学积分器组件、准直光阑和准直物镜；光学积分器组件中的投影镜位于准直物镜的前焦面0.1～0.5mm处；准直光阑位于准直物镜的前焦面处；所述锥面聚光镜的外表面通过加工形成翅形的散热片。
本发明的有益效果：通过本发明在原来的高准直太阳模拟器光学系统中加上锥面聚光镜来收集更多的能量，采用5kW氙灯光源，并对原有系统中的椭球聚光镜进行散热改进，系统可以在辐照面上达到更高的能量，辐照度最高可达到1个太阳常数。本发明巧妙的利用太阳模拟器光学积分器组件前面的锥面聚光镜作为收集器，将在光学积分器组件处损失的能量降到最低。
附图说明
图1是已有技术的高准直太阳模拟器光学系统的结构示意图；
图2是已有技术中的光学积分器的正视结构示意图；
图3是图2的侧视结构示意图；
图4是本发明所述的高能量高准直太阳模拟器光学系统的结构示意图；
图5是图4中的I位置的放大示意图；
图6是图4中椭球聚光镜2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图4至图6说明本实施方式，高能量高准直太阳模拟器光学系统，包括氙灯光源1、椭球聚光镜2、平面反射镜3、锥面聚光镜8、光学积分器组件4、准直光阑9和准直物镜5，其中，锥面聚光镜8、光学积分器组件4和准直角光阑9如图5所示，包括元素透镜7和光胶板6，一定数量的六边形元素透镜7按规则排列光胶在光胶板6上构成两组透镜阵列，前组为场镜，后组为投影镜，两组透镜阵列同光轴反向安装。具体结构关系是：氙灯光源1的阴极尖端位于椭球聚光镜2的第一焦点处，平面反射镜3与椭球聚光镜2的光轴成45度角，椭球聚光镜2的光轴通过平面反射镜3的反射面的中心；锥面聚光镜8的光轴与椭球聚光镜2的光轴成90度角，同时通过平面反射镜3的反射面的中心；在锥面聚光镜8的光轴上从左到右依次是光学积分器组件4、准直光阑9和准直物镜5；光学积分器组件4中的场镜位于椭球聚光镜2的第二焦点处；光学积分器组件4中的投影镜位于准直物镜5的前焦面附近(0.1～0.5mm，最好为0.3mm)处；准直角光阑9位于准直物镜5的前焦面处；
本实施方式的工作原理：如图4所示，氙灯光源1发出的光辐射通量，经椭球聚光镜2反射并以给定的包容角汇聚，再通过平面反射镜3改变光轴方向投影到椭球聚光镜2的第二焦面上，形成一个较大范围的辐照分布。这个较大范围的辐照分布经过锥面聚光镜8的反射，全部通过光学积分器组件4成像到无穷远。首先这个较大范围的辐照分布被场镜中的元素透镜7分割成若干小范围的辐照范围，并经投影镜中对应的元素透镜7和准直角光阑9成像到无穷远，叠加成一个较为均匀的辐照分布。再经由准直物镜5以一定的光束准直角(±16ˊ)，投影到准直物镜5的后焦面上，形成一个均匀的辐照面。
本实施方式中所述的氙灯光源1功率为5kW；椭球聚光镜2材料采用锻铝，光学表面细磨抛光镀镍层之后，镀铝反射膜和二氧化硅保护膜，在靠近氙灯泡壳的外表面加工成翅形散热片，加强散热；平面反射镜3的材料采用锻铝，与椭球聚光镜2采用一样的工艺；锥面聚光镜8的材料采用不锈钢1Cr18Ni9Ti，锥面聚光镜8的反射锥面与椭球聚光镜2的光学表面采用一样的工艺，外表面加工成翅形散热片，加强散热；光学积分器组件4材料均采用JGS3玻璃，元素透镜7采用分子吸合的方式光胶在光胶板6上；准直角光阑9的材料采用不锈钢1Cr18Ni9Ti；准直物镜5采用双分离组合透镜，各表面镀增透膜，凸透镜的材料采用K9，凹透镜的材料采用ZF2，该组合可以消除色差。
Claims (7)
1.高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征是，包括锥面聚光镜(8)和准直光阑(9)；椭球聚光镜(2)和锥面聚光镜(8)的光轴通过平面反射镜(3)的反射面的中心；锥面聚光镜(8)的光轴与椭球聚光镜(2)的光轴成90度角；
在所述锥面聚光镜(8)的光轴上从左到右依次是光学积分器组件(4)、准直光阑(9)和准直物镜(5)；光学积分器组件(4)中的投影镜位于准直物镜(5)的前焦面0.1～0.5mm处；准直光阑(9)位于准直物镜(5)的前焦面处；
所述锥面聚光镜(8)的外表面通过加工形成翅形的散热片。
2.根据权利要求1所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述椭球聚光镜(2)的外表面通过加工，形成翅形散热片。
3.根据权利要求1或2所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述椭球聚光镜(2)的材料采用锻铝，光学表面细磨抛光镀镍层之后，镀铝反射膜和二氧化硅保护膜。
4.根据权利要求3所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，氙灯光源(1)位于椭球聚光镜(2)的第一焦点处，平面反射镜(3)与椭球聚光镜(2)的光轴成45度角，光学积分器组件(4)中的场镜位于椭球聚光镜(2)的第二焦点处。
5.根据权利要求1或4所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，光学积分器组件(4)中的元素透镜(7)采用分子吸合的方式光胶在光胶板(6)上。
6.根据权利要求1所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述准直物镜(5)由双分离组合的凸透镜和透凹透镜组成，凸透镜和透凹透镜的各表面镀增透膜，所述凸透镜的材料采用K9，凹透镜的材料采用ZF2。
7.根据权利要求1所述的高能量高准直角太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述的准直光阑(9)的材料采用不锈钢1Cr18Ni9Ti。
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