CN108506893B

CN108506893B - 一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法

Info

Publication number: CN108506893B
Application number: CN201810158446.5A
Authority: CN
Inventors: 刘石; 张健; 孙高飞; 张国玉
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: CN108506893A

Abstract

本发明公布了一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，利用经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ建立基准光轴，配合五棱镜、导轨、工装反射镜和激光器分别对准直物镜、光学积分器、转向平面反射镜球面反射镜和椭球聚光镜进行可保证光轴一致性的装调，可有效提高准直式太阳模拟器的光能利用率和辐照均匀性。

Description

一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法

技术领域

本发明涉及光学系统装调方法，尤其是准直式太阳模拟器光学系统的装调方法。

背景技术

太阳模拟器按光学系统不同，可分为同轴发散式系统和同轴准直式系统，前者结构相对简单，成本比后者低，光能利用率高，但由于没有准直物镜，所以出射光束不具有准直性，适用于无准直性要求的场合；后者成本相对较高，使用了准直物镜，并在准直物镜的焦面处放置视场光阑，通过改变视场光阑的大小可以模拟不同的太阳准直角，均匀性较高，应用较为广泛，但系统的光能利用率较低，且装调复杂。

现有技术提高光能利用率的方法是设计聚光系统将光源发出的光线进行二次汇聚，聚光系统可以是椭球聚光镜，也可以是椭球聚光镜叠加球面反射镜。前者是利用椭球聚光镜具有的两个焦点，将位于第一焦点的光源发出的光线，会聚到第二焦点；后者不但利用了椭球聚光镜具有的两个焦点，同时配合设计球面反射镜，球面反射镜的中心点在椭球聚光镜的第一焦点重合，可将更多光线作为有效光线，进而提高了光能利用率。但是，无论是那种聚光方法，都存在装调困难的问题，具体的，就是无法保证椭球聚光镜的光轴与光学系统中的其它组件的光轴具有一致性，由此导致系统光能利用率低，同时，会聚到椭球聚光镜第二焦点的光线，不再满足高斯分布，进而影响了光学积分器的匀光效率，导致太阳模拟器辐射均匀性差。

发明内容

为了克服现有准直式太阳模拟器光学系统存在的椭球聚光镜的光轴与光学系统中的其它组成件的光轴不一致，由此导致的系统光能利用率低，以及会聚到椭球聚光镜第二焦点的光线，不再满足高斯分布，进而影响了光学积分器匀光效率，导致的太阳模拟器辐射均匀性差的问题。本发明提供一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，可保证聚光系统光轴与光学系统中的其它组成件的光轴一致，提高光能利用率和辐射均匀性。

本发明提供一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，针对准直式太阳模拟器光学系统中的准直物镜、光学积分器、转向平面反射镜、球面反射镜和椭球聚光镜进行可保证光轴一致性的装调。其中，准直物镜的前面设置光学积分器，光学积分器置于椭球聚光镜的第二焦点处，光学积分器的前面设置转向平面反射镜，转向平面反射镜的下面设置球面反射镜，球面反射镜的下面设置椭球聚光镜，球面反射镜的中心与椭球聚光镜的第一焦点重合。

本发明提供一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，包括以下九个步骤：第一步骤，利用经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ建立基准光轴Ⅰ；第二步骤，利用经纬仪Ⅰ，通过光学自准直的方法，装调准直物镜，同时，利用经纬仪Ⅱ观瞄准直物镜，保证准直物镜的几何中心与基准光轴Ⅰ重合；第三步骤，利用经纬仪Ⅱ，通过光学自准直的方法，装调光学积分器，同时，利用经纬仪Ⅰ观瞄光学积分器，保证光学积分器的几何中心与基准光轴Ⅰ重合；第四步骤，将经纬仪Ⅱ移至转向平面反射镜和球面反射镜之间，保持经纬仪Ⅰ不动，利用五棱镜和导轨，使经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ互瞄，建立具有90°折转的基准光轴Ⅱ；第五步骤，利用经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ，装调转向平面反射镜，使转向平面反射镜的法线与基准光轴Ⅱ成45°；第六步骤，移出经纬仪Ⅱ，利用激光器Ⅰ和工装反射镜Ⅰ标定椭球聚光镜光轴，并由激光器Ⅰ作为椭球聚光镜的光轴引出，同时，通过光学自准直的方法，装调椭球聚光镜，使椭球聚光镜光轴与基准光轴Ⅱ重合；第七步骤，利用激光器Ⅱ和工装反射镜Ⅱ标定球面反射镜光轴，并由激光器Ⅱ作为球面反射镜的光轴引出；第八步骤，移出工装反射镜Ⅰ和工装反射镜Ⅱ，利用球面反射镜的三线合一原理，将球面反射镜与椭球聚光镜进行组合装调，使激光器Ⅰ引出的球面反射镜光轴和激光器Ⅱ引出的椭球聚光镜光轴重合；第九步骤，激光器Ⅰ、激光器Ⅱ和经纬仪Ⅰ移出系统。至此，完成了准直式太阳模拟器光学系统中准直物镜、光学积分器、转向平面反射镜、球面反射镜和椭球聚光镜的装调，保证了各组件的光轴一致性，可有效提高系统能量利用率和辐照均匀性。

第一步骤中，经纬仪Ⅰ设置在准直物镜的后面，经纬仪Ⅱ设置在转向平面反射镜的前面。将经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ的俯仰角度均调至90°0′0″，通过调整经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ的方位角度，至经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ能够互相瞄准对方的十字中心，此时，由经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ建立了一条与大地水平的基准光轴Ⅰ，并将该基准光轴Ⅰ作为后续装调的光轴。

第二步骤中，保证经纬仪Ⅰ不动，安装准直物镜，通过调整准直物镜的位置，使经纬仪Ⅰ经过准直物镜的自准像返回至经纬仪Ⅰ的十字中心，同时，利用经纬仪Ⅱ观瞄准直物镜的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘，通过调整准直物镜的位置，保证准直物镜的几何中心与基准光轴Ⅰ重合。

第三步骤中，保证经纬仪Ⅱ不动，安装光学积分器，通过调整光学积分器的位置，使经纬仪Ⅱ经过光学积分器的自准像返回至经纬仪Ⅱ的十字中心，同时，利用经纬仪Ⅰ观瞄光学积分器的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘，通过调整光学积分器的位置，保证光学积分器的几何中心与基准光轴Ⅰ重合。

第四步骤中，将经纬仪Ⅱ移至转向平面反射镜和球面反射镜之间，保持经纬仪Ⅰ不动，利用五棱镜和导轨，使经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ能够互相瞄准对方的十字中心，从而建立具有90°折转的基准光轴Ⅱ，且基准光轴Ⅰ与基准光轴Ⅱ在准直物镜与转向平面反射镜之间重合，在转向平面反射镜与椭球聚光镜之间垂直。

第五步骤，保持经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ不动，装调转向平面反射镜，通过调整转向平面反射镜的位置，使经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ经过转向平面反射镜后，可以互相瞄准对方的十字中心，从而保证转向平面反射镜的法线与基准光轴Ⅱ成45°。

第六步骤中，保证经纬仪Ⅰ不动，移出经纬仪Ⅱ，将工装反射镜Ⅰ置于椭球聚光镜的上边沿，则此时工装反射镜Ⅰ的反射面与椭球聚光镜的上边沿平行，调整椭球聚光镜的位置，基于光学自准直的方法，使经纬仪Ⅰ的自准像经过转向平面反射镜和工装反射镜Ⅰ后，返回到经纬仪Ⅰ的十字中心，从而保证椭球聚光镜光轴与基准光轴Ⅱ重合，同时，将激光器Ⅰ安装在椭球聚光镜的开口处，该开口通过精密机加工后可作为椭球聚光镜的中心，则激光器Ⅰ即为椭球聚光镜的光轴指示。

第七步骤中，将工装反射镜Ⅱ置于球面反射镜的下边沿，则此时工装反射镜Ⅱ的反射面与球面反射镜的下边沿平行，调整球面反射镜的位置，基于光学自准直的方法，使经纬仪Ⅱ的自准像返回到经纬仪Ⅱ的十字中心，同时，将激光器Ⅱ安装在球面反射镜的开口处，该开口通过精密机加工后可作为球面反射镜的中心，则激光器Ⅱ即为球面反射镜的光轴指示。

第八步骤中，移出工装反射镜Ⅰ和工装反射镜Ⅱ，利用球面反射镜的三线（角平分线、中线、对角线）合一原理，将球面反射镜与椭球聚光镜进行组合装调，使激光器Ⅰ引出的球面反射镜光轴和激光器Ⅱ引出的椭球聚光镜光轴重合。

第九步骤中，将激光器Ⅰ、激光器Ⅱ和经纬仪Ⅰ移出系统，则准直式太阳模拟器光学系统的装调工作完成。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，通过九个步骤实现了准直式太阳模拟器光学系统的高精度装调，提高了光能利用率和辐照均匀性。该装调方法保证了准直式太阳模拟器光学系统的光轴一致性，有效提高了准直式太阳模拟器的模拟精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器的光学系统；

图2为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第一步骤示意图；

图3为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第二步骤示意图；

图4为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第三步骤示意图；

图5为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第四步骤示意图；

图6为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第五步骤示意图；

图7为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第六步骤示意图；

图8为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第七步骤示意图；

图9为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法第八步骤示意图；

附图标记：1——准直物镜；2——光学积分器；3——转向平面反射镜；4——球面反射镜；5——椭球聚光镜；6——经纬仪Ⅰ；7——经纬仪Ⅱ；8——五棱镜；9——导轨；10——工装反射镜Ⅰ；11——激光器Ⅰ；12——工装反射镜Ⅱ；13——激光器Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种准直式太阳模拟器的光学系统。其中，其中，准直物镜1的前面设置光学积分器2，光学积分器2置于椭球聚光镜5的第二焦点处，光学积分器2的前面设置转向平面反射镜3，转向平面反射镜3的下面设置球面反射镜4，球面反射镜4的下面设置椭球聚光镜5，球面反射镜4的中心与椭球聚光镜5的第一焦点重合。

椭球聚光镜5和球面反射镜4用于将光源发出的光线进行会聚，提高光源的能量利用率，进而提高模拟器的辐射强度模拟值；转向平面反射镜3用于折转光路，便于模拟器后续使用；光学积分器2用于接收经椭球聚光镜5会聚的光斑，将每个能量成高斯分布的像进行叠加，提高模拟器的辐射均匀性；准直物镜1用于将光线调制成平行光模拟太阳辐射距离。

针对准直式太阳模拟器光学系统中的准直物镜1、光学积分器2、转向平面反射镜3、球面反射镜4和椭球聚光镜5进行的可保证光轴一致性的装调方法，包括以下九个步骤：第一步骤，利用经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7建立基准光轴Ⅰ；第二步骤，利用经纬仪Ⅰ6，通过光学自准直的方法，装调准直物镜1，同时，利用经纬仪Ⅱ7观瞄准直物镜1，保证准直物镜1的几何中心与基准光轴Ⅰ重合；第三步骤，利用经纬仪Ⅱ7，通过光学自准直的方法，装调光学积分器2，同时，利用经纬仪Ⅰ6观瞄光学积分器2，保证光学积分器2的几何中心与基准光轴Ⅰ重合；第四步骤，将经纬仪Ⅱ7移至转向平面反射镜3和球面反射镜4之间，保持经纬仪Ⅰ6不动，利用五棱镜8和导轨9，使经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7互瞄，建立具有90°折转的基准光轴Ⅱ；第五步骤，利用经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7，装调转向平面反射镜3，使转向平面反射镜3的法线与基准光轴Ⅱ成45°；第六步骤，移出经纬仪Ⅱ7，利用激光器Ⅰ11和工装反射镜Ⅰ10标定椭球聚光镜5光轴，并由激光器Ⅰ11作为椭球聚光镜5的光轴引出，同时，通过光学自准直的方法，装调椭球聚光镜5，使椭球聚光镜5光轴与基准光轴Ⅱ重合；第七步骤，利用激光器Ⅱ13和工装反射镜Ⅱ12标定球面反射镜4光轴，并由激光器Ⅱ13作为球面反射镜4的光轴引出；第八步骤，移出工装反射镜Ⅰ10和工装反射镜Ⅱ12，利用球面反射镜4的三线合一原理，将球面反射镜4与椭球聚光镜5进行组合装调，使激光器Ⅰ11引出的球面反射镜4光轴和激光器Ⅱ13引出的椭球聚光镜5光轴重合；第九步骤，激光器Ⅰ11、激光器Ⅱ13和经纬仪Ⅰ6移出系统。至此，完成了准直式太阳模拟器光学系统中准直物镜1、光学积分器2、转向平面反射镜3、球面反射镜4和椭球聚光镜5的装调，保证了各组件的光轴一致性，可有效提高系统能量利用率和辐照均匀性。

图2为本发明实施例提供的一种发散式太阳模拟器光学系统的装调方法第一步骤的示意图。

第一步骤中，经纬仪Ⅰ6设置在准直物镜1的后面，经纬仪Ⅱ7设置在转向平面反射镜3的前面。将经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7的俯仰角度均调至90°0′0″，通过调整经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7的方位角度，至经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7能够互相瞄准对方的十字中心，此时，由经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7建立了一条与大地水平的基准光轴Ⅰ，并将该基准光轴Ⅰ作为后续装调的光轴。

第二步骤中，保证经纬仪Ⅰ6不动，安装准直物镜1，通过调整准直物镜1的位置，使经纬仪Ⅰ6经过准直物镜1的自准像返回至经纬仪Ⅰ6的十字中心，同时，利用经纬仪Ⅱ7观瞄准直物镜1的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘，通过调整准直物镜1的位置，保证准直物镜1的几何中心与基准光轴Ⅰ重合。

第三步骤中，保证经纬仪Ⅱ7不动，安装光学积分器2，通过调整光学积分器2的位置，使经纬仪Ⅱ7经过光学积分器2的自准像返回至经纬仪Ⅱ7的十字中心，同时，利用经纬仪Ⅰ6观瞄光学积分器2的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘，通过调整光学积分器2的位置，保证光学积分器2的几何中心与基准光轴Ⅰ重合。

第四步骤中，将经纬仪Ⅱ7移至转向平面反射镜3和球面反射镜4之间，保持经纬仪Ⅰ6不动，利用五棱镜8和导轨9，使经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7能够互相瞄准对方的十字中心，从而建立具有90°折转的基准光轴Ⅱ，且基准光轴Ⅰ与基准光轴Ⅱ在准直物镜1与转向平面反射镜3之间重合，在转向平面反射镜3与椭球聚光镜5之间垂直。

第五步骤，保持经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7不动，装调转向平面反射镜3，通过调整转向平面反射镜3的位置，使经纬仪Ⅰ6和经纬仪Ⅱ7经过转向平面反射镜3后，可以互相瞄准对方的十字中心，从而保证转向平面反射镜3的法线与基准光轴Ⅱ成45°。

第六步骤中，保证经纬仪Ⅰ6不动，移出经纬仪Ⅱ7，将工装反射镜Ⅰ10置于椭球聚光镜5的上边沿，则此时工装反射镜Ⅰ10的反射面与椭球聚光镜5的上边沿平行，调整椭球聚光镜5的位置，基于光学自准直的方法，使经纬仪Ⅰ6的自准像经过转向平面反射镜3和工装反射镜Ⅰ10后，返回到经纬仪Ⅰ6的十字中心，从而保证椭球聚光镜5光轴与基准光轴Ⅱ重合，同时，将激光器Ⅰ11安装在椭球聚光镜5的开口处，该开口通过精密机加工后可作为椭球聚光镜5的中心，则激光器Ⅰ11即为椭球聚光镜5的光轴指示。

第七步骤中，将工装反射镜Ⅱ12置于球面反射镜4的下边沿，则此时工装反射镜Ⅱ12的反射面与球面反射镜4的下边沿平行，调整球面反射镜4的位置，基于光学自准直的方法，使经纬仪Ⅱ7的自准像返回到经纬仪Ⅱ7的十字中心，同时，将激光器Ⅱ13安装在球面反射镜4的开口处，该开口通过精密机加工后可作为球面反射镜4的中心，则激光器Ⅱ13即为球面反射镜4的光轴指示。

第八步骤中，移出工装反射镜Ⅰ10和工装反射镜Ⅱ12，利用球面反射镜4的三线（角平分线、中线、对角线）合一原理，将球面反射镜4与椭球聚光镜5进行组合装调，使激光器Ⅰ11引出的球面反射镜4光轴和激光器Ⅱ13引出的椭球聚光镜5光轴重合。

第九步骤中，将激光器Ⅰ11、激光器Ⅱ13和经纬仪Ⅰ6移出系统，则准直式太阳模拟器光学系统的装调工作完成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，其特征在于，包括以下九个步骤：第一步骤，利用经纬仪Ⅰ和经纬仪Ⅱ建立基准光轴Ⅰ；第二步骤，利用所述经纬仪Ⅰ，通过光学自准直的方法，装调准直物镜，同时，利用所述经纬仪Ⅱ观瞄所述准直物镜，保证所述准直物镜的几何中心与所述基准光轴Ⅰ重合；第三步骤，利用所述经纬仪Ⅱ，通过所述光学自准直的方法，装调光学积分器，同时，利用所述经纬仪Ⅰ观瞄所述光学积分器，保证所述光学积分器的几何中心与所述基准光轴Ⅰ重合；第四步骤，将所述经纬仪Ⅱ移至转向平面反射镜和球面反射镜之间，保持所述经纬仪Ⅰ不动，利用五棱镜和导轨，使所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ互瞄，建立具有90°折转的基准光轴Ⅱ；第五步骤，利用所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ，装调所述转向平面反射镜，使所述转向平面反射镜的法线与所述基准光轴Ⅱ成45°；第六步骤，移出所述经纬仪Ⅱ，利用激光器Ⅰ和工装反射镜Ⅰ标定椭球聚光镜光轴，并由所述激光器Ⅰ作为所述椭球聚光镜的光轴引出，同时，通过所述光学自准直的方法，装调所述椭球聚光镜，使所述椭球聚光镜光轴与所述基准光轴Ⅱ重合；第七步骤，利用激光器Ⅱ和工装反射镜Ⅱ标定所述球面反射镜光轴，并由所述激光器Ⅱ作为所述球面反射镜的光轴引出；第八步骤，移出所述工装反射镜Ⅰ和所述工装反射镜Ⅱ，利用所述球面反射镜的三线合一原理，将所述球面反射镜与所述椭球聚光镜进行组合装调，使所述激光器Ⅰ引出的所述椭球聚光镜光轴和所述激光器Ⅱ引出的所述球面反射镜光轴重合；第九步骤，所述激光器Ⅰ、所述激光器Ⅱ和所述经纬仪Ⅰ移出系统。

2.根据权利要求1所述的准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，其特征在于：

第一步骤中，所述经纬仪Ⅰ设置在所述准直物镜的后面，所述经纬仪Ⅱ设置在所述转向平面反射镜的前面；将所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ的俯仰角度均调至90°0′0″，通过调整所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ的方位角度，至所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ能够互相瞄准对方的十字中心，此时，由所述经纬仪Ⅰ和所述经纬仪Ⅱ建立了一条与大地水平的所述基准光轴Ⅰ，并将该所述基准光轴Ⅰ作为后续装调的光轴。

3.根据权利要求1所述的准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，其特征在于：

第六步骤中，保证所述经纬仪Ⅰ不动，移出所述经纬仪Ⅱ，将所述工装反射镜Ⅰ置于所述椭球聚光镜的上边沿，则此时所述工装反射镜Ⅰ的反射面与所述椭球聚光镜的上边沿平行，调整所述椭球聚光镜的位置，基于所述光学自准直的方法，使所述经纬仪Ⅰ的自准像经过所述转向平面反射镜和所述工装反射镜Ⅰ后，返回到所述经纬仪Ⅰ的十字中心，从而保证所述椭球聚光镜光轴与所述基准光轴Ⅱ重合，同时，将所述激光器Ⅰ安装在所述椭球聚光镜的开口处，该所述开口通过精密机加工后可作为所述椭球聚光镜的中心，则所述激光器Ⅰ即为所述椭球聚光镜的光轴指示。

4.根据权利要求1所述的准直式太阳模拟器光学系统的装调方法，其特征在于：

第七步骤中，将所述工装反射镜Ⅱ置于所述球面反射镜的下边沿，则此时所述工装反射镜Ⅱ的反射面与所述球面反射镜的下边沿平行，调整所述球面反射镜的位置，基于所述光学自准直的方法，使所述经纬仪Ⅱ的自准像返回到所述经纬仪Ⅱ的十字中心，同时，将所述激光器Ⅱ安装在所述球面反射镜的开口处，该所述开口通过精密机加工后可作为所述球面反射镜的中心，则所述激光器Ⅱ即为所述球面反射镜的光轴指示。