CN111199676A - 一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，包括以下步骤，Ⅰ.根据太阳模拟器场地需求，设计确定太阳模拟器主光路；Ⅱ.根据设计好的主光路参数，确定光源位置；Ⅲ.设计积分器参数，并将积分器的小光轴设计为发散式；Ⅳ.设计多块反射单元拼接成准直镜的方式，以组成近似抛物面的准直镜；Ⅴ.将光源设置在积分器一侧，将准直镜设置在积分器另一侧，本发明具有在有限空间内实现大口径高精度的远距离均匀太阳辐照模拟的优点。

Description

一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法

技术领域

本发明涉及太阳模拟器技术领域，尤其涉及一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法。

背景技术

随着人类活动领域向太空的扩展，对空间目标的研究越来越重要。光学手段在空间目标探测方面有得天独厚的优势。空间目标辐射、散射特性获取手段主要包括地基数据验证方法和天基数据验证方法。天基光电设备实现天基数据获取，如哈勃等，其缺点是成本最大，且实现技术难度大。地基观测主要采用在地面建立大口径的观察站，通过测量已知恒星星等对探测器进行标定，进而实现空间目标的星等测量，换算得到目标的亮度信息。该方法成本较大，而且容易受天气等环境影响。而且太阳光白天照射到地球上，由于大气和地球自转的影响，无法直接利用太阳光研究目标的各种照射特性。需要研究太阳模拟技术来研制大口径的太阳模拟器，近似模拟太阳的光谱、辐射强度、长时间稳定性和发散角。

太阳模拟器可以模拟真实太阳的发光特性，用于模拟地球外层空间太阳光辐射，能够在地面实验室内逼真再现空间环境太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性。太阳模拟器主要由光源、聚光反射镜、光学积分器和准直镜等组成，光源发出亮度均匀的光经过聚光反射镜后，经光学积分器由准直镜成平行光出射，完成对无穷远太阳的模拟。

因实现场地空间受限，太阳模拟器光轴与辐照区域夹角较小，且辐照区域与准直镜距离远大于积分器与准直镜距离。而现有太阳模拟器一般要求辐照区域与准直镜距离和积分器与准直镜距离相当。如果按照现有太阳模拟器总体设计方法，模拟的太阳辐照在实际要求的辐照区域位置已经发散，无法形成准直的太阳辐照模拟。

因此，针对以上不足，需要提供一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的太阳模拟器设计方法无法形成准直的太阳辐照模拟的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，包括以下步骤，

Ⅰ.根据太阳模拟器场地需求，设计确定太阳模拟器主光路；

Ⅱ.根据设计好的主光路参数，确定光源位置；

Ⅲ.设计积分器参数，并将积分器的小光轴设计为发散式；

Ⅳ.设计多块反射单元拼接成准直镜的方式，以组成近似抛物面的准直镜；

Ⅴ.将光源设置在积分器一侧，将准直镜设置在积分器另一侧。

通过采用上述技术方案，可使制造出的太阳模拟器在有限的空间内实现大口径、高精度、远距离且均匀的太阳辐照模拟。

作为对本发明的进一步说明，优选地，积分器包括场镜和投影镜，场镜位置位于投影镜靠近光源的一侧，每一片场镜组的小透镜都与一片投影镜组的小透镜一一对应。

通过采用上述技术方案，每组场镜和对应的投影镜相互独立，则可利用多组场镜和投影镜，配合多个光源可实现大口径的大范围发散式照射。

作为对本发明的进一步说明，优选地，每片场镜中心和对应的投影镜中心构成积分器的一路光轴，每组场镜和投影镜的光轴为发散式。

通过采用上述技术方案，对每个通道光路的详细设计，使各通道光轴不汇聚于一点，而是根据各通道参数发散分布于不同位置，结合准直镜，综合效果实现在被照区域的均匀高精度辐照模拟，使制成的太阳模拟器辐照均匀区域距离远大于一般太阳模拟器。

作为对本发明的进一步说明，优选地，光源的数量为若干个且设计的光源位置均匀分布在以积分器场镜中心为圆心的球面上。

通过采用上述技术方案，可使光源的光均能照射到积分器上，保证积分器能将光线全部投射到准直镜上，提高系统能量利用率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，准直镜的每块反射单元曲率半径不同。

通过采用上述技术方案，使太阳模拟器光轴与辐照区域夹角较小，保证辐照面均匀且准直镜反射光不会经过积分器，保证光能利用率提高。

作为对本发明的进一步说明，优选地，将每块反射单元根据其拟合的球面曲率半径设计为球面单元，再将各所述球面单元拼接为近似抛物面的准直镜。

通过采用上述技术方案，使得太阳模拟器在要求的辐照区域实现大口径高精度的均匀辐照。

作为对本发明的进一步说明，优选地，各个反射单元的准直镜光轴均汇聚成若干个点。

通过采用上述技术方案，避免出现杂散光。

作为对本发明的进一步说明，优选地，每个反射单元背面均固连有贴合曲面的安装板，安装板下端和左端均冲压有插槽，安装板上端和右端均冲压有插片，相邻反射单元上的插片插入插槽内。

通过采用上述技术方案，采用插片插入插槽的方式即可实现对反射单元的拼装，拼装效率高且保证各个反射单元之间贴合紧密。

作为对本发明的进一步说明，优选地，插槽为弧形槽，插片为弧形片，每个安装板上插槽和插片的曲率与相邻安装板的插片和插槽曲率相同。

通过采用上述技术方案，可保证每块反射单元以及对应的安装板具有位置唯一性，在装配时只需通过触摸判断插片和插槽的接缝贴合程度及连接面之间是否过渡顺滑，即可了解反射单元位置是否安装正确以及是否安装平稳。

作为对本发明的进一步说明，优选地，插槽内表面上涂覆胶面，胶面为粘胶剂。

通过采用上述技术方案，保证反射单元之间的连接紧密，不易分离。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过采用多块不同曲率半径的单元准直镜拼接组成近似抛物面准直镜，将每一块单元准直镜根据其拟合的球面曲率半径设计为球面单元准直镜，再将各球面单元准直镜拼接为近似抛物面的准直镜，配合将光线进行发散式照射的积分器，使得二者配合的太阳模拟器在要求的辐照区域实现大口径高精度的均匀辐照。

附图说明

图1是本发明的太阳模拟器部分光路模拟图；

图2是图1中A的放大图；

图3是图1中B的放大图；

图4是本发明的准直镜结构图；

图5是本发明的准直镜侧视图；

图6是本发明的反射单元连接状态图；

图7是本发明的反射单元连接结构图。

图中：1、光源；2、积分器；21、出射端；3、入射光；31、内侧反射光；32、外侧反射光；4、准直镜；41、反射单元；42、安装板；43、插槽；44、插片；45、胶面；46、环箍；5、被照区域；6、主光轴；61、准直镜光轴；62、准直镜焦点；7、支架；71、顶架；72、幕帘。

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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，结合图1、图2，包括以下步骤，

Ⅰ.根据所需的大口径太阳模拟器场地需求，通过常规的光线反射原理，其中图1中仅给出入射光3照射至准直镜4上反射出的内侧反射光31和外侧反射光32，以此设计确定太阳模拟器主光路；

Ⅱ.根据设计好的主光路参数，确定光源1的位置，因大口径太阳模拟器所需光源1数量较多，为提高系统模拟精度，将光源1设计分布在以积分器2中心场镜中心为圆心的球面上，可使光源的光均能照射到积分器2上，保证积分器2能将光线全部投射到准直镜4上；

Ⅲ.设计积分器2参数，其中积分器2包括场镜和投影镜，场镜位置位于投影镜靠近光源的一侧，每一片场镜组的小透镜都与一片投影镜组的小透镜一一对应，使每组场镜和对应的投影镜相互独立，则可利用多组场镜和投影镜，配合多个光源1可实现出射端21能照射出发散式的大口径、大范围入射光3；每片场镜中心和对应的投影镜中心构成积分器2的一路光轴，将现有积分器2各光轴通道会聚于积分器光轴的透镜设置形式替换为通过改造，能使积分器2各光轴通道至少不会全部相交于积分器光轴上一点的透镜设置形式，即积分器2各光轴通道发散式排布的形式(包括除各光轴相交于主光轴上一点以外的所有光轴通道排布形式)，实现将每组场镜和投影镜的光轴为发散式，使制成的太阳模拟器辐照区域距离远大于一般太阳模拟器；

Ⅳ.设计多块反射单元41拼接成准直镜4的方式，以组成近似抛物面的准直镜4；结合图6、图7，反射单元41均为凹面反射镜，每个反射单元41背面均固连有贴合曲面的安装板42，安装板42可由树脂板或塑料制成，塑性较高且便于和反射单元41贴合固定；安装板42下端和左端均冲压有插槽43，安装板42上端和右端均冲压有插片44，相邻反射单元41上的插片44插入插槽43内，插槽43内表面上涂覆胶面45，胶面45可为市面上常见的各种非金属粘胶剂，保证反射单元41之间的连接紧密，不易分离；采用插片44插入插槽43的方式即可实现对反射单元41的拼装，拼装效率高且保证各个反射单元41之间贴合紧密。

结合图6、图7，插槽43为弧形槽，插片44为弧形片，每个安装板42上插槽43和插片44的曲率与相邻安装板42的插片44和插槽43曲率相同，可保证每块反射单元41以及对应的安装板42具有位置唯一性，在装配时只需通过触摸判断插片44和插槽43的接缝贴合程度及连接面之间是否过渡顺滑，即可了解反射单元41位置是否安装正确以及是否安装平稳。

结合图4、图5，最外侧的反射单元41外弧侧面光滑，其背面的安装板42最外侧的弧面固连有圆弧状的凸台，各个最外层的安装板42拼接后最外侧弧面构成一个圆周面，所述凸台构成一个圆环，所述圆环外套接有环箍46，环箍46为圆环状钢条，以从外围套住反射单元41，避免其散落。

结合图4、图5，套完环箍46后，可将准直镜4安装在支架7上，其中准直镜4可与支架7铰接，以便调节准直镜4的偏转角，使准直镜4能反射处不同方向的光线，或者可直接固定在支架7上，避免准直镜4晃动而影响光线投射方向；支架7顶部焊接有顶架71，顶架71中部旋有幕帘72，幕帘71宽度大于准直镜4的外径，在不使用准直镜4时，可将幕帘71拉下遮盖住准直镜4，以起到防尘的作用。

Ⅴ.将光源1设置在积分器2一侧，将准直镜设置在积分器另一侧。

结合图3、图4和图5，准直镜4的每块反射单元41曲率半径不同，使太阳模拟器光轴与辐照区域夹角较小，保证辐照面均匀且准直镜4反射光不会经过积分器2，保证光能利用率提高；将每块反射单元41根据其拟合的球面曲率半径设计为球面单元，再将各所述球面单元拼接为近似抛物面的准直镜4，可使得太阳模拟器在要求的辐照区域实现大口径高精度的均匀辐照；结合图1、图2，各个反射单元41的准直镜光轴61均汇聚在准直镜焦点62处，可避免出现杂散光。

且通过设置安装板42连接的方式，再通过与各个反射单元41相互独立设计、同时冲压制造、在背面标注相同标号的方式，保证即使在准直镜曲率较小，各个反射单元外观及其相似的情况下，依然能保证各个安装板42与反射单元41之间一一对应，进而保证后续反射单元41能准确无误地拼接出实验所需的抛物面，且拼装方式简单易操作，相比直接对反射单元41进行拼装的方式，该方式不仅能以最快的速度准确对反射单元进行拼装，不会出现任何错漏，还能保证连接稳定，不易散失，进而保证准直镜4能正常工作，一举两得十分实用。

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：其依然可以对前述各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 (10)

1.一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

Ⅰ.根据太阳模拟器场地需求，设计确定太阳模拟器主光路；

Ⅱ.根据设计好的主光路参数，确定光源(1)位置；

Ⅲ.设计积分器(2)参数，并将积分器(2)的小光轴设计为发散式；

Ⅳ.设计多块反射单元(41)拼接成准直镜(4)的方式，以组成近似抛物面的准直镜(4)；

Ⅴ.将光源(1)设置在积分器(2)一侧，将准直镜(4)设置在积分器(2)另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：积分器(2)包括场镜和投影镜，场镜位置位于投影镜靠近光源的一侧，每一片场镜组的小透镜都与一片投影镜组的小透镜一一对应。

3.根据权利要求2所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：每片场镜中心和对应的投影镜中心构成积分器(2)的一路光轴，每组场镜和投影镜的光轴为发散式。

4.根据权利要求2所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：光源(1)的数量为若干个且设计的光源(1)位置均匀分布在以积分器(2)场镜中心为圆心的球面上。

5.根据权利要求1所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：准直镜(4)的每块反射单元(41)曲率半径不同。

6.根据权利要求5所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：将每块反射单元(41)根据其拟合的球面曲率半径设计为球面单元，再将各所述球面单元拼接为近似抛物面的准直镜(4)。

7.根据权利要求6所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：各个反射单元(41)的光轴(61)汇聚成若干个点。

8.根据权利要求7所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：每个反射单元(41)背面均固连有贴合曲面的安装板(42)，安装板(42)下端和左端均冲压有插槽(43)，安装板(42)上端和右端均冲压有插片(44)，相邻反射单元(41)上的插片(44)插入插槽(43)内。

9.根据权利要求8所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：插槽(43)为弧形槽，插片(44)为弧形片，每个安装板(42)上插槽(43)和插片(44)的曲率与相邻安装板(42)的插片(44)和插槽(43)曲率相同。

10.根据权利要求9所述的一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法，其特征在于：插槽(43)内表面上涂覆胶面(45)，胶面(45)为粘胶剂。

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