CN110837174A - 离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法 - Google Patents

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陈丽
彭光东
张世一
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Abstract

本发明提供了一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，包括球半径为R的球面准直镜、激光器、调节板和光屏，激光器位于球面准直镜的球心处，光屏位于激光器的位置，球面准直镜由多个六边形球面单元镜拼接而成，六边形球面单元镜后侧均设有轴向调节机构、摆动调节机构和俯仰调节机构，调节板位于球面准直镜和激光器之间，激光器与调节板的距离为球半径R的1/10，调节板上设有与六边形球面单元镜数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10。该离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节方法，是一种采用球心自校准的的简便方法，调节装置设计简单，易于实现。

Description

离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及空间环境地面模拟技术领域，具体地，涉及一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法。
背景技术
太阳模拟器是在室内模拟太阳在不同大气质量条件下光辐照特性的一种试验或定标设备。多用于空间飞行器的环境模拟试验，能够为航天器提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的太阳光辐照。
随着大口径高精度遥感器的研制，需要在地面对空间环境进行精确模拟，大中型太阳模拟器的准直镜由于加工尺寸的限制，一般采用拼接式，即由多片小型镜片拼接成具有一定曲率的大型镜片。小型镜片(以下简称单元镜)在三维的精确调节是保证最终光斑均匀性的决定因素，而离轴太阳模拟器拼接准直镜装调的是目前面临的难题。
经过对现有技术的检索，授权公告号CN204188881U的实用新型公开了一种太阳模拟器，包括沿同一光轴从光轴上游到下游依次设置的光源、聚光镜、场镜、光阑、准直物镜、被照面，其中，所述光源位于所述聚光镜的光轴上游侧的第一焦点处，所述场镜位于所述聚光镜的光轴下游侧的第二焦点处，所述光阑位于所述准直物镜的焦点处且与所述场镜相距0.5～2.0毫米。该模拟器的准直镜无法精确调节。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法。
根据本发明提供的一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，包括球半径为R的球面准直镜、激光器、调节板和光屏，所述激光器位于所述球面准直镜的球心处，所述光屏位于激光器的位置，所述球面准直镜由多个六边形球面单元镜拼接而成，所述六边形球面单元镜后侧均设有调节机构，所述调节机构包括轴向调节机构、摆动调节机构和俯仰调节机构，所述调节板位于球面准直镜和激光器之间，所述激光器与调节板的距离为球半径R的1/10，所述调节板上设有与六边形球面单元镜数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，所述圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10。
进一步地，所述调节板为直径350mm的圆盘，调节板上的圆孔均是可遮挡的。
进一步地，所述球面准直镜由19个六边形球面单元镜拼接而成，球半径R为13280mm。
进一步地，所述六边形球面单元镜的外接圆直径为743.7mm，中心厚度为30mm。
进一步地，所述调节机构包括支撑框架、支撑板、支撑圆环和固定柱，所述固定柱与单元镜中心固定，所述支撑板的一端与支撑框架固定，另一端与支撑圆环连接，所述支撑圆环与位于其中心的固定柱连接，所述轴向调节机构包括轴向调节螺栓，所述轴向调节螺栓的一端沿轴向拧入固定柱中，所述摆动调节机构包括左右调节螺栓和上下调节螺栓，所述左右调节螺栓穿过支撑圆环水平相向设置，所述上下调节螺栓穿过支撑圆环上下相向设置，所述俯仰调节机构包括俯仰调节螺栓，所述俯仰调节螺栓设置在支撑板上。
进一步地，所述轴向调节机构的轴向调节范围不小于±15mm，所述摆动调节机构的摆动调节角度范围不小于±5°，所述俯仰调节机构的俯仰调节角度范围不小于±8°。
本发明还提供一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节方法，包括以下步骤：
S1、将调节板安装在球面准直镜和激光器之间，所述激光器与调节板的距离为球半径R的1/10，所述调节板上设有与六边形球面单元镜数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，所述圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10；
S2、打开调节板上的一个圆孔，调节与该圆孔位置对应的六边形球面单元镜，打开激光器，使光线透过圆孔覆盖该单元镜的内切圆，该单元镜将光线反射汇聚后通过圆孔成像在光屏上，调节单元镜的俯仰和摆动角度，使成像点与球心位置重合，调整单元镜前后位置，使成像点清晰且光斑直径最小；
S3、依次打开球面准直镜上的多个单元镜对应的调节板上的圆孔，按照步骤S2的方法逐一调节相应的单元镜；为防止成像混淆，同一时间只有一个圆孔处于打开状态；
S4、撤下调节板，整个球面准直镜会将球心激光器发出的光线成像在球心处，如果在光屏上形成一个清晰的小光斑，则调节成功，否则再次采用调节板逐一核对单元镜的成像点；
S5、所有单元镜调节完毕后，将球面准直镜以y轴为旋转轴，旋转19°，使球面准直镜从装调状态转至准直镜目标状态，至此，球面准直镜装调到位。
进一步地，所述步骤S2中，调节单元镜的俯仰调节角度范围不小于±8°，摆动调节角度范围不小于±5°，前后位置调节范围不小于±15mm。
进一步地，所述球面准直镜由19个六边形球面单元镜拼接而成，球半径R为13280mm，所述六边形球面单元镜的外接圆直径为743.7mm，中心厚度为30mm；所述调节板为直径350mm的圆盘，调节板上圆孔的直径为64.4mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法，是一种采用球心自校准原理，利用返回光线的成像进行校准调节，调节装置设计简单，易于实现。
2、本发明的离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置及调节方法，所引入的误差只有汇聚光斑的判读误差，调节精度较高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的太阳模拟器布局图；
图2为本发明的太阳模拟器准直镜的单元镜校准原理图；
图3为本发明的太阳模拟器准直镜校准装置及原理图；
图4为本发明的调节装置中单元镜调节机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明的太阳模拟器布局图。太阳模拟器可以认为是将由光源4发出的光汇聚在积分镜3处，积分镜起均匀作用，可以将积分镜3当作均匀的点光源，由点光源发出的光经过准直镜目标状态变为平行光。光线经过准直镜前后的光轴夹角为38°，因此准直镜与光轴5的夹角为19°。从而在物理空间上限制了准直镜的装调。图1中，1表示准直镜目标状态、2为真空罐窗口镜、10表示准直镜装调状态。
如图2所示，太阳模拟器准直镜的单元镜校准原理图。由于准直镜为球面镜，根据球面反射镜的特性，球心处发出的光经单元镜6的球面反射后，自校准沿原方向返回光屏8成像，C为理论上准直镜单元镜的球心位置，在球心位置放置激光器7，使激光束能够照射到所有单元镜6的任意一点，如果单元镜6位置或角度偏离规定位置，则成像偏离球心，成像在球心附近C′位置。调节单元镜的俯仰和摆动角度，使成像C′与激光束所在球心位置重合。调整单元镜前后位置，使激光束的成像C′清晰且光斑直径最小。
以φ2m的太阳模拟器(以下简称太模)为例，太阳模拟器设计光束方向为水平，光轴在罐内与真空罐体中心轴线重合，在光路调试时以罐内导轨为基准，导轨上表面为水平基线。罐外中心光轴以真空罐锥筒中心线为基准。其中，太模准直镜是曲率半径R＝13280mm的球面反射镜，准直镜1由19个六边形球面单元镜6拼接而成；六边形球面单元镜6的外接圆直径为743.7mm，中心厚度为30mm。
如图2和3所示，一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，包括球半径为R的球面准直镜1、激光器7、调节板9和光屏8，激光器7位于球面准直镜1的球心处(球面准直镜的球心与球面单元镜的球心位置是相同的)，光屏8位于激光器7的位置，球面准直镜1由多个六边形球面单元镜6拼接而成，六边形球面单元镜6后侧均设有调节机构，调节机构包括轴向调节机构、摆动调节机构和俯仰调节机构。
如图4所示，调节机构包括支撑框架14、支撑板15、支撑圆环16和固定柱17，固定柱17与单元镜6中心固定，支撑板15的一端与支撑框架14固定，另一端与支撑圆环16连接，支撑圆环16与位于其中心的固定柱17连接，轴向调节机构包括轴向调节螺栓11，轴向调节螺栓11的一端沿轴向拧入固定柱17中，摆动调节机构12包括左右调节螺栓121和上下调节螺栓122，左右调节螺栓121穿过支撑圆环16水平相向设置，上下调节螺栓122穿过支撑圆环16上下相向设置，俯仰调节机构包括俯仰调节螺栓13，俯仰调节螺栓13设置在支撑板15上。
需要说明的是，本发明单元镜的调节机构不限于上述结构，只要能实现单元镜的轴向、上下、左右及俯仰调节的调节机构都可适用于本发明。
轴向调节机构的轴向调节范围不小于±15mm，用于在拼接球面时单元镜的深度调节；摆动调节机构的摆动调节角度范围不小于±5°，用于在拼接球面时单元镜六角的位置调节；俯仰调节机构的俯仰调节角度范围不小于±8°，用于拼接球面曲面的形成和调整。
调节板9位于球面准直镜1和激光器7之间，激光器7与调节板9的距离为球半径R的1/10，调节板9上设有与六边形球面单元镜6数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜6的中心，圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10。
调节板9为直径350mm的圆盘，在圆盘上对应各个准直镜的单元镜6中心位置等比例设计直径64.4mm(单元镜6的内切圆直径的1/10)的圆孔。调节板上的圆孔均是可遮挡的。
本发明还提供一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节方法，包括以下步骤：
S1、将调节板9安装在球面准直镜1和激光器7之间，激光器7与调节板9的距离为1328mm(球半径R的1/10)，调节板9上设有与六边形球面单元镜6数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，圆孔的直径为64.4mm(单元镜6的内切圆直径的1/10)；
S2、打开调节板9上的一个圆孔，调节与该圆孔位置对应的六边形球面单元镜6，打开激光器7，使光线透过圆孔覆盖该单元镜的内切圆，该单元镜将光线反射汇聚后通过圆孔成像在光屏8上，调节单元镜的俯仰和摆动角度，使成像点与球心位置重合，调整单元镜前后位置，使成像点清晰且光斑直径最小；
S3、依次打开球面准直镜上的多个单元镜对应的调节板上的圆孔，按照步骤S2的方法逐一调节相应的单元镜；为防止成像混淆，19个圆孔同一时间只有一个处于打开状态；
S4、撤下调节板9，整个球面准直镜1会将球心激光器7发出的光线成像在球心处，如果在光屏上形成一个清晰的小光斑，则调节成功，否则再次采用调节板逐一核对单元镜的成像点；
S5、所有单元镜调节完毕后，将球面准直镜1以y轴为旋转轴，旋转19°(太阳模拟器离轴角的一半)，使球面准直镜从装调状态转至准直镜目标状态，至此，球面准直镜装调到位。
本发明针对离轴太阳模拟器拼接准直镜装调的难题，提出一种可有效调节单元镜的三维参数的方法，包括前后、摆动、俯仰的调节，使19个镜片组成焦距为13280mm的大型球面镜，在8500mm处形成均匀的太阳模拟光斑。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，其特征在于，包括球半径为R的球面准直镜、激光器、调节板和光屏，所述激光器位于所述球面准直镜的球心处，所述光屏位于激光器的位置，所述球面准直镜由多个六边形球面单元镜拼接而成，所述六边形球面单元镜后侧均设有调节机构，所述调节机构包括轴向调节机构、摆动调节机构和俯仰调节机构，所述调节板位于球面准直镜和激光器之间，所述激光器与调节板的距离为球半径R的1/10，所述调节板上设有与六边形球面单元镜数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，所述圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10。
2.根据权利要求1所述的离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，其特征在于，所述调节板为直径350mm的圆盘，调节板上的圆孔均是可遮挡的。
3.根据权利要求1所述的离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，其特征在于，所述球面准直镜由多个六边形球面单元镜拼接而成。
4.根据权利要求1所述的离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节装置，其特征在于，所述轴向调节机构的轴向调节范围不小于±15mm，所述摆动调节机构的摆动调节角度范围不小于±5°，所述俯仰调节机构的俯仰调节角度范围不小于±8°。
5.一种离轴太阳模拟器用拼接准直镜的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将调节板安装在球面准直镜和激光器之间，所述激光器与调节板的距离为球半径R的1/10，所述调节板上设有与六边形球面单元镜数量相同的圆孔，各个圆孔的圆心均对应相应的六边形球面单元镜的中心，所述圆孔的直径为六边形球面单元镜内切圆直径的1/10；
S2、打开调节板上的一个圆孔，调节与该圆孔位置对应的六边形球面单元镜，打开激光器，使光线透过圆孔覆盖该单元镜的内切圆，该单元镜将光线反射汇聚后通过圆孔成像在光屏上，调节单元镜的俯仰和摆动角度，使成像点与球心位置重合，调整单元镜前后位置，使成像点清晰且光斑直径最小；
S3、依次打开球面准直镜上的多个单元镜对应的调节板上的圆孔，按照步骤S2的方法逐一调节相应的单元镜；
S4、撤下调节板，整个球面准直镜会将球心激光器发出的光线成像在球心处，如果在光屏上形成一个清晰的小光斑，则调节成功，否则再次采用调节板逐一核对单元镜的成像点；
S5、所有单元镜调节完毕后，将球面准直镜以y轴为旋转轴，旋转19°，使球面准直镜从装调状态转至准直镜目标状态，至此，球面准直镜装调到位。
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