CN111536461B - 一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法 - Google Patents

一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，涉及光学仪器设计技术领域，提供一种实现太阳模拟器的辐照度大范围调整以及辐照均匀性的衰减器的设计方法，包括以下步骤：确定衰减器形状及安装位置；利用光学扩展量对衰减器进行理论分析，确定通光面积；采用环带法研究衰减器处的辐照分布，以提高辐照均匀性为目的，具体设计衰减器的开孔数量、大小、布置方式等结构参数。本发明的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器安装方便，在保证辐照高稳定、高均匀性下，实现辐照度大范围调整，对提高太阳模拟器性能具有重要意义。

Description

一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法
技术领域
本发明涉及光学仪器设计技术领域，涉及一种具有低辐照度衰减功能的太阳模拟器衰减器的设计方法，可实现辐照度大范围高均匀性调整。
背景技术
太阳模拟器作为一种在室内模拟太阳辐射特征的检测设备，在航天、气象科学、新材料开发、农林育种等领域具有广泛应用。
为消除调节氙灯电源电流引起的低辐照度下的不稳定问题，在太阳模拟器中加入一个衰减器，可以通过更换拥有不同衰减率的衰减器，来对太阳模拟器的输出光进行衰减。但目前衰减器多采用等尺寸、等间距的网格孔结构，对输出光进行整体衰减，设计上没有考虑提高积分器入光口处的边缘辐射能量，没有考虑对辐照均匀性的影响。
而目前，随着太阳能的利用与开发，尤其是微光光电探测器的研制与生产，需要太阳模拟器既能实现辐照大范围调整，又能保证较高的辐照均匀性，当前技术水平不能够满足实际需求。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供了一种具有低辐照度衰减功能的太阳模拟器衰减器的设计方法，能够在保证辐照高稳定、高均匀性下，实现辐照度大范围调整。
一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，由以下步骤实现：
步骤一、确定衰减器形状及安装位置；
设计呈圆板形状的衰减器，所述衰减器上具有多个不均匀分布的通光圆孔，将所述衰减器置于氙灯光源太阳模拟器的椭球面聚光镜与光学积分器之间；
步骤二、利用光学扩展量对衰减器进行理论分析，分析光能在整个过程中的传输，在其他参数不变的情况下，目标面辐照度大小与衰减器出光面积成正比，根据目标面辐照度要求来合理设计衰减器上通光圆孔的结构，确定衰减器通光面积；衰减器总面积为所在位置光束截面面积，根据目标面辐照度衰减率确定通光圆孔总面积；
步骤三、采用环带法计算衰减器的辐照分布，将椭球面聚光镜的反射面根据光线入射角度分为若干环带，先分析光线经某一环带反射后会聚在衰减器半径为Ri的辐照面的辐射通量，再将所有环带所提供的辐射通量求和，得出半径Ri的辐照面的辐射通量Fi(Ri)，获得辐照面内以圆环分布的辐照度；根据辐照分布对各圆环内的通光圆孔面积进行分配，具体设计衰减器的结构参数，完成所述衰减器的设计。
本发明的有益效果：采用本发明方法设计的具有低辐照度衰减功能的太阳模拟器衰减器，在保证辐照高稳定性下，根据设定不同衰减率分级降低辐照度，拓宽了太阳辐射照度的模拟范围，同时经不均布圆孔衰减器后的高斯辐射分布趋平，辐照均匀性有所提高，对实现辐照度高均匀性下的大范围调整，提高太阳模拟器性能具有非常积极的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法中衰减器的安装位置示意图；
图2为本发明提供的立体角示意图；
图3为本发明提供的衰减器子午面内聚光镜示意图；
图4为本发明提供的衰减器环带分布示意图；
图5为本发明提供的辐照衰减器结构图。
图中，1、衰减器，2、椭球面聚光镜、3、氙灯、4、积分器，5、反射镜。
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。
本实施例提供一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，包括具体以下步骤：
S1、衰减器1设计为圆板形状，衰减器1上具有数个不均匀分布的通光圆孔，几何中心位于光轴上，整体面积应能覆盖当前位置辐射通量，部分光透过，部分遮挡，实现衰减辐射通量的目的；在保证辐照高稳定、高均匀性下，实现辐照度大范围调整；
S2、确定衰减器1的安装位置，衰减器1安装在积分器4前，为节省空间，通常在积分器4前加入反射镜5，根据氙灯光源太阳模拟器箱体结构确定衰减器1安装在椭球面聚光镜2与反射镜5之间，参见图1，衰减器距离椭球面聚光镜2出光口250mm以保证与氙灯3绝缘，利用钢架结构固定在椭球面聚光镜2上，方便拆卸更换；
S3、利用光学扩展量对衰减器1进行理论分析，分析光能在整个过程中的传输，在其他参数不变的情况下，目标面辐照度大小与衰减器1出光面积成正比，根据目标面辐照度要求来合理设计衰减器1上通光圆孔的结构，确定衰减器通光面积；衰减器1总面积为所在位置光束截面面积，设定半径R＝130mm，根据目标面辐照度衰减量确定通光圆孔总面积；
首先利用光学扩展量这一概念，分析光能在整个过程中的传输，确定衰减器1开孔面积。参见图2，光学扩展量定义为：
U＝n2∫∫cosθdAdΩ
n－介质中的折射率；
θ角－微元面积dA的法线与微元立体角dΩ的中心轴的夹角，在球坐标系下定义法线为z轴；
立体角是以圆锥体的顶点为心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的，微元立体角dΩ计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000041
Figure GDA0003289516950000042
－在球坐标系下微元面积dA的法线在xOy平面的投影线与x轴之间的方位角；
氙灯光源太阳模拟器中采用椭球面聚光镜2对氙灯3聚光，空间折射率n＝1，将椭球面聚光镜2出光口平面作为一个面光源，则对于从任意角度反射的光，经过面光源出射，得到其光学扩展量U1计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000043
A1－面光源发光面积，即椭球镜出光口面积；
将衰减器1作为辐照面，根据光学扩展量守恒U1＝U2，则衰减器1处的辐照度E计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000044
L－面光源辐亮度；
A2－衰减器有效光照面积；
U2－衰减器处光学扩展量；
同样，若将衰减器1出射面看作一个面光源，积分器4入光口为接收面，则接收面上的辐照度E′计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000051
A3－积分器入光口接收辐照面积；
根据衰减器1的半径以及设定的衰减率，则通光圆孔总面积计算公式如下：
A＝αA2
A－通光圆孔总面积；
α－衰减率；
在其他参数不变的情况下，目标面辐照度大小与衰减器出光面积成正比，已知衰减板半径为130，衰减率定为20％，则所开圆孔总面积约为10618.6mm2；
S4、所述衰减器1不但要保证对目标面上的辐照度进行衰减，还要考虑目标面辐照度均匀性的问题，采用椭球面聚光镜2环带法计算衰减器1安装位置处的辐照分布，以提高辐照均匀性为目的，具体设计衰减器的结构参数，确定衰减器上开孔数量、大小、布置方式等；
环带法主要是将椭球聚光镜2反射面根据光线入射角度分为若干圆环，先分析光线经某一环带反射后会聚在半径为Ri的辐照面上的辐射通量
Figure GDA0003289516950000052
再将所有环带所提供的辐射通量求和，得出半径Ri的辐照面上的辐射通量
Figure GDA0003289516950000053
将衰减板以不同半径划为若干同心圆，其面上Ri到Ri-1环带内的辐照度Ei计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000054
参见图3，以入射角度u从椭球面聚光镜的反射面上划出一个环带，u1、u2为此环带上的起始角和终止角，u＝(u1+u2)/2；将氙灯辐射亮度分布分为若干个基元面，设其中第x个基元发光面的法向辐射亮度为Nx，在u角上的辐射亮度为Nx(u)，其法向方向的面积为Sx；此基元面发出的光线经过聚光镜u角对应的环带落入辐照面半径为Ri的区域内的辐射通量
Figure GDA0003289516950000055
计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000061
Figure GDA0003289516950000062
－各基元发光面对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量；
tu－与聚光镜光轴成u角的方向上辐射强度Iu与法向辐射强度I0之比；
tu计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000063
β－u角方向与法向的夹角；
则u角所对应的环带对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量
Figure GDA0003289516950000064
计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000065
半径为Ri的辐照面全部辐射通量为各个环带所输出的辐射通量
Figure GDA0003289516950000066
之和，计算公式如下：
Figure GDA0003289516950000067
同理，计算整个辐照面的辐射通量Fi(all)，得出的
Figure GDA0003289516950000068
与Fi(all)均为相对数，求两数之比；利用椭球镜聚光率可得出辐照面整体辐射通量绝对数，根据比例关系得出半径Ri的辐照面内的辐射通量绝对数；对不同的Ri，计算得出不同的
Figure GDA0003289516950000069
即可获得辐照面内以圆环分布的辐照度；
S5、衰减器半径为130mm，以半径间隔30mm将其划分为4个环带，参见图4；氙灯功率取可调范围中的3kW，u角范围为26.5°～102.25°，Fi(all)为507W，经计算得到衰减器4个环带内各自的辐照度表示在表1中；
表1
半径范围(mm) 0～30 30～60 60～90 90～120
辐照度E<sub>i</sub>(W/mm<sup>2</sup>) 0.056 0.048 0.029 0.013
S6、衰减器圆孔总面积为10618.6mm2，考虑到提高目标面上辐照均匀性，对四个环带内的圆孔面积进行分配，设四个环带从内到外需要分配的圆孔面积为a、b、c、d，利用以下公式求各面积值；
4个环带上经通光圆孔被目标面接收的光的光通量相等，计算公式如下：
E1a＝E2b＝E3c＝E4d
4个环带所分配的通光圆孔面积之和为衰减器通光圆孔总面积，计算公式如下：
a+b+c+d＝A
求出各个环带分配的圆孔面积及各项参数表示在表2中；
表2
半径范围(mm) 0～30 30～60 60～90 90～120
圆孔总面积(mm<sup>2</sup>) 1262.7 1474.9 2438.3 5442.6
圆孔半径(mm) 6 6.5 8 10
圆孔个数 8 12 12 18
结合图5说明本实施方式，图5为采用本实施方式的方法设计的一种具有低辐照度衰减功能的太阳模拟器衰减器结构图。
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 (6)

1.一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定衰减器形状及安装位置；
设计呈圆板形状的衰减器，所述衰减器上具有多个不均匀分布的通光圆孔，将所述衰减器置于氙灯光源太阳模拟器的椭球面聚光镜与光学积分器之间；
步骤二、利用光学扩展量对衰减器进行理论分析，确定通光面积；衰减器总面积为所在位置光束截面面积，根据目标面辐照度衰减率确定通光圆孔总面积；
步骤三、采用环带法计算衰减器的辐照分布，将椭球面聚光镜的反射面根据光线入射角度分为若干环带，先分析光线经某一环带反射后会聚在衰减器半径为Ri的辐照面的辐射通量，再将所有环带所提供的辐射通量求和，得出半径Ri的辐照面的辐射通量
Figure FDA0003289516940000013
获得辐照面内以圆环分布的辐照度；根据辐照分布对各圆环内的通光圆孔面积进行分配，具体设计衰减器的结构参数，完成所述衰减器的设计。
2.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征在于：所述衰减器的几何中心位于光轴上，整体面积应能覆盖当前位置辐射通量，部分光透过，部分遮挡；
采用钢架结构将衰减器固定在椭球面聚光镜出光口250mm处。
3.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：
光学扩展量定义为：
U＝n2∫∫cosθdAdΩ
式中，n为介质中的折射率，θ角是微元面积dA的法线与微元立体角dΩ的中心轴的夹角，在球坐标系下定义法线为z轴；
微元立体角dΩ计算公式如下：
Figure FDA0003289516940000011
式中，
Figure FDA0003289516940000012
为在球坐标系下微元面积dA的法线在xOy平面的投影线与x轴之间的方位角；
氙灯光源太阳模拟器中采用椭球面聚光镜对氙灯聚光，空间折射率n＝1，将椭球面聚光镜出光口平面作为一个面光源，则对于从任意角度内反射的光，经过所述面光源出射，获得椭球面聚光镜的光学扩展量U1，计算公式为：
Figure FDA0003289516940000021
式中，A1为面光源发光面积；
将所述衰减器作为辐照面，根据光学扩展量守恒U1＝U2，则衰减器处的辐照度E计算公式为：
Figure FDA0003289516940000022
式中，L为面光源辐照度，A2为衰减器有效光照面积，U2为衰减器处光学扩展量；
将所述衰减器出射面作为一个面光源，积分器入光口作为接收面，则接收面上的辐照度E′计算公式为：
Figure FDA0003289516940000023
式中，A3为积分器入光口接收辐照面积；
根据所述衰减器的半径以及设定的衰减率，则通光圆孔总面积计算公式为：
A＝αA2
式中，A为通光圆孔总面积，α为衰减率。
4.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征在于：步骤三的具体实现过程为：
将衰减器以不同半径划为若干同心圆，其面上半径Ri到半径Ri-1环带内的辐照度Ei计算公式为：
Figure FDA0003289516940000031
以入射角度u从椭球面聚光镜的反射面上划出一个环带，u1、u2为此环带上的起始角和终止角，u＝(u1+u2)/2；
将氙灯辐射亮度分布分为若干个基元面，设定第x个基元发光面的法向辐射亮度为Nx，在入射角度u上的辐射亮度为Nx(u)，其法向方向的面积为Sx；所述基元面发出的光线经过入射角度u对应的环带落入辐照面半径为Ri的区域内的辐射通量
Figure FDA0003289516940000032
的计算公式为：
Figure FDA0003289516940000033
式中，
Figure FDA0003289516940000034
为各基元发光面对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量；
tu为与椭球面聚光镜光轴成u角的方向上辐射强度Iu与法向辐射强度I0之比；
tu计算公式如下：
Figure FDA0003289516940000035
式中，β为u角方向与法向的夹角；
则u角所对应的环带对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量
Figure FDA0003289516940000036
计算公式如下：
Figure FDA0003289516940000037
半径为Ri的辐照面全部辐射通量
Figure FDA0003289516940000038
为各个环带所输出的辐射通量之和，计算公式如下：
Figure FDA0003289516940000039
同理，计算整个辐照面的辐射通量Fi(all)，获得的
Figure FDA00032895169400000310
与Fi(all)均为相对数，求两数之比；
利用椭球面聚光镜的聚光率获得辐照面整体辐射通量绝对数，根据比例关系得出半径Ri的辐照面内的辐射通量绝对数；对不同的Ri，计算获得不同的
Figure FDA0003289516940000041
即获得辐照面内以圆环分布的辐照度。
5.根据权利要求4所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征在于，设定所述衰减器半径为130mm，以半径间隔30mm将其划分为0～30mm的圆形区域，30～60mm、60～90mm和90～120mm的三个环带区域，计算获得所述衰减器一个圆形区域和三个环带区域从内到外各自的辐照度E1、E2、E3、E4。
6.根据权利要求5所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法，其特征在于，还包括对一个圆形区域和三个环带区域内的通光圆孔面积进行分配；
所述一个圆形区域和三个环带区域上经通光圆孔被目标面接收的光的光通量相等，计算公式如下：
E1a＝E2b＝E3c＝E4d
式中，a、b、c、d为一个圆形区域和三个环带区域从内到外所分配的通光圆孔面积；
所述通光圆孔面积之和为衰减器通光圆孔总面积，计算公式为：
a+b+c+d＝A
A为通光圆孔总面积。
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