CN106704898B - 一种空间结构式太阳模拟器的光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间结构式太阳模拟器的光路结构，包括氙灯、椭球聚光镜、第一平面反射镜、空间折转镜、光学积分器场镜、光学积分器投影镜组、光学滤光片、第二平面反射镜、离轴抛物面反射镜。氙灯位于椭球聚光镜的第一焦点处；光学积分器场镜位于椭球聚光镜的第二焦点处，光学积分器投影镜组位于准直镜前焦面处；离轴抛物镜为系统准直镜。本发明的优点在于利用两块平面反射镜和一块空间折转镜，将传统的平面光路结构转化为空间结构，可有效折叠光路，压缩光路尺寸；此外将离轴抛物面反射镜从氙灯所在平面偏离出来，避免其他光学原件阻挡出射光，辐照中心高度有更大的调节范围。

Description

一种空间结构式太阳模拟器的光路结构

技术领域

本发明属于光机科研仪器领域，具体涉及一种空间结构式太阳模拟器的光路结构。

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。

不同领域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，通常采用离轴系统，不可避免的是此时的椭球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。

中国专利201410090350.1，公开了一种太阳模拟器光学系统，该光路结构同样采用离轴抛物面反射镜作为准直镜，其光路结构采用镜像“4”式，用了两块折转镜，虽然也能有效压缩光路尺寸，但光学系统高度依然很高。另外，该光路结构所有光学元件中心在同一竖直平面内，出射光束中心高度只能在两块折转镜之间，限制了出射光束中心高度的可调节范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间结构式太阳模拟器的光路结构，克服了太阳模拟器在调节出射光束中心高度过程中，光束容易被遮挡的技术难题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种空间结构式太阳模拟器的光路结构，包括氙灯、椭球聚光镜、第一平面反射镜、空间折转镜、光学积分器场镜、光学积分器投影镜组、光学滤光片、第二平面反射镜和离轴抛物面反射镜；氙灯、椭球聚光镜、第一平面反射镜和空间折转镜位于同一竖直平面，光学积分器场镜、光学积分器投影镜组、光学滤光片、第二平面反射镜和离轴抛物面反射镜位于同一水平面；氙灯位于椭球聚光镜的第一焦点处，椭球聚光镜的光轴竖直向上；第一平面反射镜位于椭球聚光镜的第二焦点与氙灯之间，且第一平面反射镜与椭球聚光镜的光轴成锐角，所述锐角角度大于45°；空间折转镜位于第一平面反射镜和光学积分器场镜之间，使光线发生空间折转；共光轴依次设置光学积分器场镜、光学积分器投影镜组、光学滤光片和第二平面反射镜，光学积分器场镜位于椭球聚光镜的第二焦点处，离轴抛物面反射镜位于第二平面反射镜的反射光路上，且光学积分器投影镜组位于离轴抛物反射镜的前焦面处。

氙灯发出的光线经椭球面聚光镜汇聚反射后向上传播到达第一平面反射镜，并经第一平面反射镜折转后射入空间折转镜，然后经空间折转镜反射到光学积分器场镜上，经过光学积分器场镜和光学积分器投影镜组的作用后变为均匀光束；光学积分器投影镜组出射的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入射至第二平面反射镜；经第二平面反射镜反射折转到达离轴抛物面反射镜上，最终在离轴抛物面反射镜的作用下，光束沿水平方向准直出射。

上述各光学器件空间位置满足以下关系：

所述出射光束中心到原点的竖直距离为D。

所述椭球聚光镜的第一焦点到原点竖直距离为d。

所述第一平面反射镜到原点的竖直距离为H。

所述椭球聚光镜两焦点间距为ΔF1F2。

所述空间折转镜到椭球聚光镜的第二焦点处的距离为S。

第一平面反射镜与竖直方向的夹角为

所述离轴抛物面的焦距为f。

所述第二平面反射镜的中心到离轴抛物面反射镜中心的距离为L。

所述第二平面反射镜中心到离轴抛物面反射镜焦点的距离为f-L。

所述离轴抛物面反射镜的离轴角为θ₀，0＜θ₀＜90°。

第二平面反射镜与xoy平面的夹角为

根据勾股定理可得：

所述空间折转镜中心到椭球聚光镜第一焦点的水平距离为T

被第一平面反射镜反射后的光线与水平面夹角为θ₁，

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用了三块折转反射镜，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别完成了竖直平面和水平平面内的折转，还有一块空间折转镜将竖直平面内的光路转化到水平面内，大大缩短了光学结构的轴向尺寸，并且使其纵向空间得到充分利用，使太阳模拟器的结构更为紧凑，光学原件的空间分布更为均匀，有利于整体散热。

(2)在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的同时使太阳模拟器尺寸合理且出射光束中心高满足要求，将离轴抛物面反射镜从氙灯所在的竖直平面平移出来，可随着光束中心高要求不同灵活调节光路的空间结构。这样出射光束中心高度有更广的调节范围，大大提高了结构的灵活性。

(3)对于中小型太阳模拟器，可以使光路结构更加紧凑，缩小整体系统的空间尺寸。

附图说明

图1是本发明的空间结构式太阳模拟器的光路结构的三维示意图。

图2是本发明的空间结构式太阳模拟器的光路结构的平面示意图，其中(a)为竖直平面光路图，(b)为水平面光路图。

图3是图1中各光学器件设计位置计算的几何示意图，其中(a)为竖直平面光路的几何示意图，(b)为水平面光路几何示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，一种空间结构式太阳模拟器的光路结构，包括氙灯1、椭球聚光镜2、第一平面反射镜3、空间折转镜4、光学积分器场镜5、光学积分器投影镜组6、光学滤光片7、第二平面反射镜8和离轴抛物面反射镜9。氙灯1、椭球聚光镜2、第一平面反射镜3和空间折转镜4位于同一竖直平面，光学积分器场镜5、光学积分器投影镜组6、光学滤光片7、第二平面反射镜8和离轴抛物面反射镜9位于同一水平面；氙灯1位于椭球聚光镜2的第一焦点处，椭球聚光镜2的光轴竖直向上；第一平面反射镜3位于椭球聚光镜2的第二焦点与氙灯1之间，且与椭球聚光镜2的光轴成锐角，所述锐角角度大于45°；空间折转镜4位于第一平面反射镜3和光学积分器场镜5之间，使光线发生空间折转。依次共光轴设置光学积分器场镜5、光学积分器投影镜组6、光学滤光片7和第二平面反射镜8，光学积分器场镜5位于椭球聚光镜2的第二焦点处，离轴抛物面反射镜9位于第二平面反射镜8的反射光路上，且光学积分器投影镜组6位于离轴抛物反射镜9的前焦面处。

以地面所在平面上一点为原点，y轴沿竖直方向，z轴沿光束出射方向，根据右手定则，确定x轴方向。

空间折转镜4用下面的方法确定其空间角度：先将其竖直放置，再从y轴正方向向z轴正方向旋转θ₁，然后从x轴正方向向z轴正方向旋转45°。

氙灯1发出的光线经椭球面聚光镜2汇聚反射后向上传播到达第一平面反射镜3，并经第一平面反射镜3折转后射入空间折转镜4，然后经空间折转镜4反射到光学积分器场镜5上，经过光学积分器场镜5和光学积分器投影镜组6的作用后变为均匀光束；光学积分器投影镜组6出射的光束通过光学滤光片7，氙灯光谱得到修正，保证出射光束的光谱接近太阳光谱入射至第二平面反射镜8；经第二平面反射镜8反射折转到达离轴抛物面反射镜9上，最终在离轴抛物面反射镜9的作用下，光束沿水平方向准直出射。

结合图3，上述各光学器件空间位置满足以下关系：

所述出射光束中心到原点的竖直距离为D。

所述椭球聚光镜2的第一焦点到原点竖直距离为d。

所述第一平面反射镜3到原点的竖直距离为H。

所述椭球聚光镜2两焦点间距为ΔF1F2。

所述空间折转镜4到椭球聚光镜2的第二焦点处的距离为S。

第一平面反射镜3与竖直方向的夹角为

所述离轴抛物面9的焦距为f。

所述第二平面反射镜8的中心到离轴抛物面反射镜9中心的距离为L。

所述第二平面反射镜8中心到离轴抛物面反射镜9焦点的距离为f-L。

所述离轴抛物面反射镜9的离轴角为θ₀，0＜θ₀＜90°。

第二平面反射镜8与xoy平面的夹角为

根据勾股定理可得：

所述空间折转镜4中心到椭球聚光镜2第一焦点的水平距离为T，

被第一平面反射镜3反射后的光线与水平面夹角为θ₁，

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聚光镜2以及离轴抛物面反射镜9，从而得到参数d、ΔF1F2、θ₀；考虑到椭球聚光镜2第二焦点处能够良好散热，确定参数S；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8的摆放位置，即确定参数L。至此，即可将得到的所有参数代进式1和式2中，得出T、θ₁，即可确定光路中所有元件在光轴方向上的位置和角度，从而确定光路结构。

有如下实例：根据技术指标，出射中心高度D取500mm，椭球聚光镜2的第一焦点到原点竖直距离d取360mm，选用焦距ΔF1F2为2740mm的椭球聚光镜2和焦距f为3100mm、离轴角θ₀为12°的离轴抛物面反射镜9。为了椭球聚光镜2的第二焦点处散热良好，S取300mm。为了防止准直光线被第二反射镜8阻挡，L取1594mm。因此，空间折转镜4中心到椭球聚光镜2第一焦点的水平距离T为1729.2mm，第一平面反射镜3与竖直方向的夹角为53.06°，第二平面反射镜8与xoy平面的夹角为51°，空间折转镜4先竖直放置，再从y轴正方向向z轴正方向旋转16.13°，然后从x轴正方向向z轴正方向旋转45°。

本发明采用了三块折转反射镜，第一平面反射镜3和第二平面反射镜8分别完成了竖直平面和水平平面内的折转，还有一块空间折转镜4将竖直平面内的光路转化到水平面内，大大缩短了光学结构的轴向尺寸，并且使其纵向空间得到充分利用，使太阳模拟器的结构更为紧凑，光学原件的空间分布更为均匀，有利于整体散热。在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的同时使太阳模拟器尺寸合理且出射光束中心高满足要求，将离轴抛物面反射镜9从氙灯1所在的竖直平面平移出来，可随着光束中心高要求不同灵活调节光路的空间结构。这样出射光束中心高度有更广的调节范围，大大提高了结构的灵活性。对于中小型太阳模拟器，可以使光路结构更加紧凑，缩小整体系统的空间尺寸。

Claims (2)

1.一种空间结构式太阳模拟器的光路结构，其特征在于：包括氙灯(1)、椭球聚光镜(2)、第一平面反射镜(3)、空间折转镜(4)、光学积分器场镜(5)、光学积分器投影镜组(6)、光学滤光片(7)、第二平面反射镜(8)和离轴抛物面反射镜(9)；氙灯(1)、椭球聚光镜(2)、第一平面反射镜(3)和空间折转镜(4)位于同一竖直平面，光学积分器场镜(5)、光学积分器投影镜组(6)、光学滤光片(7)、第二平面反射镜(8)和离轴抛物面反射镜(9)位于同一水平面；氙灯(1)位于椭球聚光镜(2)的第一焦点处，椭球聚光镜(2)的光轴竖直向上；第一平面反射镜(3)位于椭球聚光镜(2)的第二焦点与氙灯(1)之间，且第一平面反射镜(3)与椭球聚光镜(2)的光轴成锐角，所述锐角角度大于45°；空间折转镜(4)位于第一平面反射镜(3)和光学积分器场镜(5)之间，使光线发生空间折转；共光轴依次设置光学积分器场镜(5)、光学积分器投影镜组(6)、光学滤光片(7)和第二平面反射镜(8)，光学积分器场镜(5)位于椭球聚光镜(2)的第二焦点处，离轴抛物面反射镜(9)位于第二平面反射镜(8)的反射光路上，且光学积分器投影镜组(6)位于离轴抛物反射镜(9)的前焦面处；

氙灯(1)发出的光线经椭球面聚光镜(2)汇聚反射后向上传播到达第一平面反射镜(3)，并经第一平面反射镜(3)折转后射入空间折转镜(4)，然后经空间折转镜(4)反射到光学积分器场镜(5)上，经过光学积分器场镜(5)和光学积分器投影镜组(6)的作用后变为均匀光束；光学积分器投影镜组(6)出射的光束通过光学滤光片(7)，氙灯光谱得到修正，保证出射光束的光谱接近太阳光谱入射至第二平面反射镜(8)；经第二平面反射镜(8)反射折转到达离轴抛物面反射镜(9)上，最终在离轴抛物面反射镜(9)的作用下，光束沿水平方向准直出射。

2.根据权利要求1所述的空间结构式太阳模拟器的光路结构，其特征在于，上述各光学器件空间位置满足以下关系：

所述出射光束中心到原点的竖直距离为D；

所述椭球聚光镜(2)的第一焦点到原点竖直距离为d；

所述第一平面反射镜(3)到原点的竖直距离为H；

所述椭球聚光镜(2)两焦点间距为ΔF1F2；

所述空间折转镜(4)到椭球聚光镜(2)的第二焦点处的距离为S；

第一平面反射镜(3)与竖直方向的夹角为

所述离轴抛物面(9)的焦距为f；

所述第二平面反射镜(8)的中心到离轴抛物面反射镜(9)中心的距离为L；

所述第二平面反射镜(8)中心到离轴抛物面反射镜(9)焦点的距离为f-L；

所述离轴抛物面反射镜(9)的离轴角为θ₀，0<θ₀<90°；

第二平面反射镜(8)与xoy平面的夹角为

根据勾股定理可得：

所述空间折转镜(4)中心到椭球聚光镜(2)第一焦点的水平距离为T，

被第一平面反射镜(3)反射后的光线与水平面夹角为θ₁，

其中，以地面所在平面上一点为原点，y轴沿竖直方向，z轴沿光束出射方向，根据右手定则，确定x轴方向，设定坐标系为右手xyz坐标系，yoz平面为竖直平面，xoz平面为水平面，y轴方向为竖直方向，z轴方向为水平方向。