DE3300811A1

DE3300811A1 - Sammeloptik fuer hochleistungs-lichtquellen

Info

Publication number: DE3300811A1
Application number: DE19833300811
Authority: DE
Inventors: George Voorschoten Sänger
Original assignee: AGENCE SPATIALE EUROPEENE PARIS FR; Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: AGENCE SPATIALE EUROPEENE PARIS FR; Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1983-01-12
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3300811C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine- Hochleistungs-Lichtquelle mit einer Samme1optik, insbesondere auf einen Sonnensimulator.

Mit der Erfindung soll es ermöglicht werden, die Größe der Sammeloptik für die Hochleistungs-Lichtquelle bzw. den Sonnensimulator zu reduzieren.

In einem Sonnensimulator wird eine Weltraumstruktur, wie z.B. ein Satellit, Licht hoher Intensität und gleichmäßiger Verteilung ausgesetztem so zu bestimmen, ob aufgrund der Bestrahlung und der dabei auftretenden thermischen Effekte mechanische Deformationen an der Struktur innerhalb gewisser Toleranzen bleiben. Solche Deformationen sind von besonderem Interesse, wenn die Weltraumstruktur mit auf die Erde gerichteten Antennen ausgerüstet ist, die auf der Erdoberfläche einen Fußpunkt haben, der dann als Ergebnis dieser Deformationen im Weltraum Bereiche außerhalb des vorgesehenen Fußpunktes einnehmen wird.

Grundlegend gibt es drei verschiedene Arten von Sonnensimulatoren: Das divergente System, das zentrierte bzw. Cassegrain-System und das nichtaxiale bzw. off-axis-System.

Die Erfindung'ist beispielhaft ausgeführt für das nichtaxiale ' System, jedoch nicht darauf beschränkt.

In einem . nichtaxialen System, vgl. Figur 1, wird das Licht, das von mehreren Xenon-Bogenlampen stammt, die zusammen in einem Lampengehäuse 1 angeordnet sind, mit Hilfe einer Sammeloptik in dem Brennpunkt eines Kollimatorspiegels 2 gesammelt, wobei in dem Brennpunkt ein optischer Lichtsammler 3, z.B. eine Projektionsoptik gelegen ist.

t Das Licht wird dann auf den Kollimatorspiegel 2 geleitet,

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der seinerseits ein homogenes annähernd paralleles Lichtbündel in Richtung auf die zu bestrahlende Oberfläche bzw. Zielfläche 4 richtet. Da die Fläche der Samme1optik, d.h. die Kollektorfläche, in die Zielfläche 4 abgebildet wird, ist in beiden Flächen die gleiche relative Leuchtdichteverteilung vorhanden.

Um die Sonnensimulation zu optimieren, ist festgestellt worden, daß die zu testende"Weltraumstfuktur die simulierte Sonnenscheibe unter einem Winkel von +_ 0,5°, entsprechend etwa 32 Bogenminuten, "sehen" sollte. Dieser Winkel istetwa der Visierwinkel, der im-Weltraum befindlichen Weltraumstruktur gegen die Sonnenscheibe. Wird diese Forderung auf das optische System des Sonnensimulators gemäß Figur 1 übertragen, so bedeutet dieses, daß das optische System im Idealfall einen Kollimationswinkel 40 von angenähert _+ 0,5° haben sollte.

Die Forderung nach einem kleinen Kollimatorwinkel ist jedoch im allgemeinen nicht vereinbar mit der Forderung nach einem Sonnensimulator kleiner Ausmaße, wie dieses aus Figur 1 für einen gegebenen Durchmesser der Projektionsoptik bzw. des Lichtsammlers hervorgeht. Wenn der Kollimatorwinkel reduziert werden sollte, so muß die Entfernung zwischen dem Kollimator spiegel und der Projektionsoptik .vergrößert werden, was wiederum in einem Anstieg der Gesamtgröße des Sonnensimulators resultiert.

Man kann jedoch die Größe der Projektionsoptik beeinflussen, vorausgesetzt, daß das "Eingangsfenster" dieser Optik, bezogen auf die Größe des Gesamtbildes des Lampengehäuses in der Brennebene,' verkleinert werden kann.

Eine solche Verkleinerung kann dadurch erhalten werden, daß die Größe des Lampengehäuses und die Projektionsweite kleiner gemacht werden, ohne daß gleichzeitig die Leuchtstärke der

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Lichtquelle geschwächt wird. Eine Verkleinerung der Projektionsweite ist jedoch durch die Tatsache beschränkt, daß dann, wenn das Lampengehäuse 1 näher an die Projektionsoptik 3 (Figur 1) gebracht wird, der Eintrittswinkel OC ' wächst; dieser Winkel darf jedoch nicht größer sein als der Austrittswinkel Ot ,da sonst starke Lichtverluste auftreten.

Das Lampengehäuse enthält eine Vielzahl von Bogenlampen, üblicherweise Xenon-Hochleistungslampen und die einzelnen .10 Samme 1 optiken für jede Lampe.

Da auch die Größe der Bogenlampen annähernd unveränderlich ist, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung anzugeben, mit der die Größe der Sammeloptik für die Bogenlampen reduziert werden kann, um dadurch eine Verkleinerung des Kollimatorwinkels vorzugsweise innerhalb eines off-axis-Sonnensimulators zu erreichen.

Bekannte Sarnmeloptiken für eine Lichtquelle mit gegebenen Charakteristiken, so z.B. eine Xenon-Bogenlampe , und mit einer erforderlichen Lichtintensität an der zu untersuchenden Probe, sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt.

•5.

In Figur 2 ist die klassische Lösung mit einem parabolischen oder elliptischen Reflektorspiegel 2 für die Sammeloptiken gezeigt. Der Lampenbogen ist in dem Brennpunkt des Spiegels angeordnet. Um die Eigenschaften dieses Spiegels zu analysieren, wird angenommen, daß der Spiegel aus dünnen Kreisringen (vgl. 20, 20') zusammengesetzt ist, und daß jeder Ring wiederum in kleine einzelne flache Spiegel unterteilt ist. Jeder Spiegel erzeugt dann ein Abbild des Lampenbogens in der Feldlinsen- - ebene; eine Integration über einen Kreisring zeigt dann eine Überlagerung von Lampenbogenbildern über die 360°. Eine Integration über alle Kreisringe resultiert dann in dem Bild des Lampenbogens, das durch einen solchen parabolischen oder

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elliptischen Spiegel insgesamt erzeugt wird. Während jedoch die Ausmaße der Bogenbilder eines einzelnen Kreisringes jeweils gleich sind/ so trifft dieses nicht für den Fall verschiedener Kreisringe zu, da die Entfernung zwischen dem Bogen und den kleinen elementaren Spiegeln der einzelnen Kreisringe variiert. Das Kleinste und größte durch den äußersten und den innersten Kreisring produzierte Bild kann um einen Faktor 2 bis 3 abhängig von der Größe des Spiegels und dessen öffnungswinkels £X variieren.

Zusätzlich.zu dem Problem der verschiedenen Ausmaße der Bogenbilder hat ein parabolischer oder elliptischer Kollektor noch einen anderen Nachteil für den FaIl₇ daß eine hohe Leuchtdichte gefordert wird. In einem solchen Fall wird der öffnungswinkel <XL des Reflektorspiegels reduziert, so daß der Reflektor den größten Anteil des emittierenden Lichts auffängt. Dies jedoch bedingt, daß der Radius R des Kollektorspiegels ansteigt und resultiert wiederum in recht großen Spiegeldurchmessern. Ein typischer Spiegeldurchmesser ist z.B. 56 Zentimeter , wobei dann ein Kollimationswinkel von etwa +_ 1,5° erreicht wird.

In Figur 3 ist eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 verbesserte Sammeloptik dargestellt, wobei hier die durch diese Sammeloptik erzeugten Bogenbilder jeweils von gleicher Größe sind. Die gesamte Vorrichtung basiert auf dem klassischen Konzept der Vereinigung einer Lichtquelle mit einer Kondensorlinse und einem Objektiv, um eine Oberfläche zu beleuchten. Ein bekannter Nachteil dieses Konzeptes liegt darin, daß lediglich ein kleiner Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes aufgefangen wird. Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung weist Sammeloptiken mit Linsen L und Planspiegeln M auf. Es werden sieben asphärische Linsen L1 mit einer Apertur von etwa 46° verwendet, wobei der Bogen jeweils in deren Brennpunkt

liegt. Das virtuelle Bild dieser Linsen L1 , das durch die Verwendung der Spiegel M1 erzeugt wird, wird jeweils auf eine Zwischenbildebene S durch einen Satz von Objektivlinsen L2 projiziert. Das gleiche gilt für das optische System aus den Linsen L1', den Planspiegeln M1' und den Objektivlinsen L2¹. Die Kondensorlinsen L1 sind um die Äquatorialebene des Lampenbogens unter einem Winkel von 44° angeordnet, während die Linsen L1' unterhalb der Äquatorialebene in einem Winkel von 44° angeordnet sind.

TO Die Sammeloptiken gewährleisten eine gleichförmige Beleuchtung der Zwischenbildebene S durch eine exakte überlagerung der projizierten virtuellen Bilder der Linsen L1 und L1'.

Diese beschriebene Lösung hat gegenüber der Lösung mit einem parabolischen Spiegel den Vorteil, daß die erzeugten Bogenbilder jeweils gleiche Größe aufweisen. Der Durchmesser der Sammeloptiken ist jedoch immer noch relativ groß und z.B. typisch 53 Zentimeter. Dies liegt an der Lage und der Größe der virtuellen Bilder der asphärischen Linsen L1 und L1', die wiederum aus der großen Apertur von tpyisch 45° dieser Linsen resultieren. Der Kollimationswinkel ist auch bei dieser Einrichtung nicht besser als +^ 1,5°.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Ausführung für die Sammeloptiken von Hochleistungs-Lichtquellen anzugeben, die nicht die Nachteile der oben geschilderten bekannten Lösungen aufweist, insbesondere im Hinblick auf die Größe der Sammeloptiken und dem Kollimationswinkel.

Gemäß der Erfindung werden die Sammeloptiken so nahe wie möglich an der Bogenlampenquelle in Form einer Vielfach- bzw. segmentierten optischen Anordnung angehäuft, so daß die Bilder des Lampenbogens, die von dem Lichtsammler empfangen werden, alle von der gleichen Größe sind.

Die Erfindung wird in Verbindung mit der Figur 4 näher erklärt, die eine perspektivische Darstellung eines vierlinsigen Kollektorsegmentes gemäß der Erfindung zeigt. Der Lampenbogen, der als Punktlichtguelle angenommen wird, ist bei P gelegen, was ebenso der Brennpunkt der sphärischen Linsen I, II, III und IV ist. Diese Linsen haben eine rechteckige oder trapezförmige Form und sind alle von der gleichen Größe. Sie sind auf der Oberfläche einer Kugel mit P als dem Mittelpunkt angeordnet. Die Linsen II und III sind übereinander montiert, und zwar so, daß ihre gemeinsame Verbindungsliniein der Ebene liegt, die senkrecht zu der Achse X-X der Lampe ist und den Punkt P enthält. Die Linse I ist oberhalb der Linse II so montiert, daß die. beiden Linsen eine gemeinsame Verbindungslinie aufweisen. Die Linse IV, die eine gemeinsame Verbindungslinie mit der Linse III aufweist, ist unterhalb der Linse III montiert, jedoch von dem Mittelpunkt der Linse mehr oder weniger um deren halbe Breite herausgeschoben.

Ei' Spiegel A ist in einer Ebene parallel zu der Achse der Bogenlampe befestigt, so daß er das von der Linse I kommende parallele Lichtbündel auf einen Spiegel E lenkt, der wiederum das empfangene Licht in einer Richtung parallel zünder Lampenachse gegen den Lichtsammler bzw. die Projektionsoptik (nicht gezeigt) lenkt.

Ein Spiegel B liegt mit seiner Grundlinie in der Verbin- . dungslinie der beiden Linsen II und III und ist so gehalten, daß er das von der Linse II kommende parallele Lichtbündel in einer Richtung parallel zu der Lampenachse wiederum gegen den optischen Lichtsammler umlenkt.

Ein Spiegel C ist so gehalten, daß er das von der Linse III kommende parallele Lichtbündel in einer Richtung parallel zu der Lampenachse wiederum gegen den optischen Licht-

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sammler umlenkt/ wobei dieser umgelenkte Strahl nicht durch die Spiegel A und B behindert wird. Ein vierter Spiegel D ist so angeordnet/ daß er das von der Linse IV stammende parallele Lichtbündel in einer Richtung parallel zu der Lampenachse gegen den optischen Lichtsammler umlenkt, wobei dieser umgelenkte Strahl nicht durch die vorher genannten Spiegel A, B und C behindert wird.

Die Anordnung der Linsen und der Spiegel gemäß der Erfindung ermöglicht eine Überlappung der einzelnen von den Spiegeln umgelenkten Lichtbündel auf solche Weise, daß keine Duhkelzone auftritt.

Die in Figur 4 gezeigte Linsen- und Spiegelanordnung ist eine von mehreren segmentartipn Anordnungen, die um den Lampenkolben angeordnet sind. Ein vollständiges Kollektorsystem dieser Art umfaßt zwölf derartige segmentförmige Anordnungen, wobei jedes Segment vier Linsen und fünf Spiegel aufweist. In Figur 5 ist eine Hälfte eines solchen Kollektors von oben gesehen dargestellt. Die Spiegel A, B, C, D und E eines Segmentes sind in dieser Figur gekennzeichnet.

Da die Linsen alle auf der Oberfläche einer Kugel mit P als Mittelpunkt angeordnet sind, wobei diese Oberfläche so nahe an dem Lampenkolben angeordnet ist, wie es notwendige Kühlpassagen noch erlauben, und da die Linsen alle mit gleichen Ausmaßen gewählt werden können, sind auch die von diesen Linsen erzeugten Lampenbogenbilder alle von gleicher Größe.

Die Entfernung zwischen den sphärischen Linsen und dem Punkt P wird so klein wie möglich gehalten, indem Linsen mit einer kleinen Apertur, z.B. von etwa 30° , gewählt werden.

Mit der Erfindung wird nicht nur ein optisches Sammelsystem mit verkleinerten Ausmaßen geschaffen, es wird ebenso auch mehr Licht von dem Kollektor als bei bekannten Kollektoren aufgefangen, und zwar hauptsächlich aufgrund der Anordnung der Linsen I mit den Spiegeln A und E.

Der Unterschied der Einrichtung gemäß der Erfindung und der gemäß Figur 3 liegt wesentlich darin, daß bei der Erfindung sphärische Linsen mit kleinön Öffnungswinkeln benutzt werden, die reelle , vergrößerte Bogenbilder über die Umlenkspiegel erzeugen, wohingegen bei der Einrichtung gemäß Figur 3 asphärische Linsen verwendet werden, die große öffnungswinkel haben und virtuelle Bilder ihrer selbst für die Objektivlinsen L2 und L2' erzeugen.

Der Durchmesser der Sammeloptik bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung liegt bei etwa 30 Zentimetern. Bei der besten bekannten Lösung entsprechend Figur 3 , bei der die virtuellen Bilder von L1 und L1' den Durchmesser bestimmen, liegt dieser bei etwa 53 Zentimetern.

Wenn der Wirkungsgrad eines Kollektorsystemes berechnet wird, müssen auch die an den Linsen und Spiegeln auftretenden Verluste in Rechnung gezogen werden. Die Verluste an den Linsen fließen über die von der Struktur abgedunkelte Ränder hinausgehende Strahlanteil ein und können relativ niedrig, etwa zwischen 3 und 4 % gehalten werden. Der über die Ränder der Spiegel hinausgehende Strahlanteil ist jedoch ein größeres Problem. Da die Lichtquelle nicht eine Punktlichtquelle ist, sondern gewisse Ausmaße hat, und eine Kugel von etwa 8 Millimeter Durchmesser ist, sind die durch die Linsen hindurchtretenden Strahlen nicht parallel , so daß der über die Ränder der Spiegel hinausgehende Lichtanteil mit der Entfernung der entsprechenden Linsen von den Spiegeln ansteigt. Da die höchste Licht-

intensität von der Bogenlampe um die Äquatorialzone abgegeben wird, werden diese Spiegel daher nahe an den zugeordneten Linsen plaziert.

Der Gesamtwirkungsgrad des Kollektorsystems gemäß der Erfindung wurde zu etwa 26,4 % berechnet, wobei die Ver-Wendung einer Xenon-Bogenlampe berücksichtigt wurde.

Mit einer Sammeloptik gemäß der Erfindung kann der größte Anteil des von der Bogenlampe emittierten Lichtes aufgefangen werden, auf jeden Fall mehr als mit bekannten Sammeloptiken. Verluste treten auf aufgrund der zusätzlichen Spiegel bzw. Linsen und der erwähnten Randverluste.

Die Vorteile einer Sammeloptik gemäß der Erfindung liegen nicht so sehr in dem Wirkungsgrad, sondern besonders in der Reduzierung der Ausmaße, insbesondere in dem wesentlich kleineren Durchmesser als bei bekannten Sammeloptiken. Die Erfindung erlaubt die Konstruktion eines kleinen Lampengehäuses, wenn mehrere verschiedene Kollektoranordnungen der beschriebenen Art zusammengebracht werden. Als Ergebnis ist auch die Projektionsweite kürzer, was wiederum zu einem kleineren Bogenbild auf dem Lichtsammler bzw. einem kleineren Eingangsfenster führt, und damit zu einem kleineren Kollimatorwinkel, der bei etwa _+ 0,8° liegt. Mit den gleichen Prinzipien wurde eine Sammeloptik konstruiert, die drei Anordnungen von Linsen/ Spiegel-Kombinationen aufwies. Der Kollektordurchmesser,der mit einer solchen Konfiguration erzielt werden kann, liegt bei ungefähr 32 Zentimetern.

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Claims

3300811 Haft · Bemgruber · Czybufka : : Patentanwalt

1 0908

Agence Spatiale Europeenne, 8-10, rue Mario-Nikis, 75738 Paris Cedeχ 15, Frankreich

Sammeloptik für Hochleistungs-Lichtquellen

Patentanspruch

Vorrichtung mit einer Sammeloptik für eine Hochleistungs-Lichtquelle, mit der eine Oberfläche eines Objektes bestrahlt wird, insbesondere zur Konstruktion für einen Sonnensimulator mit einem kleinen Kollimations- bzw. Visierwinkel, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Lichtquelle (bei P) sowie mehrere Grundsegmente zur Lichtsammlung aufweist, daß jedes Segment mehrere sphärische Linsen (1,11, III, IV9 gleicher Größe und Form, in deren gemeinsamen Brennpunkt die Lichtquelle angeordnet ist, sowie mehrere erste Planspiegel (B, C, D) , die in die Lichtwege von der Lichtquelle auf der dieser gegenüberliegenden Seite ein der zugeordneten sphärischen Linsen (II, III, IV) angeordnet sind und gegenüber dem von den sphärischen Linsen (II, III, IV) kommenden Lichtweg so geneigt sind, daß das empfangene Licht in Richtung auf die zu bestrahlende Oberfläche gelenkt wird, und ferner einen zweiten Planspiegel (A) aufweist, der in dem von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweg auf der dieser gegenüberliegenden Seite einer sphärischen Sammellinse (I) angeordnet und so gegen den von dieser Sammellinse kommenden

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Lichtweg geneigt ist, daß er das empfangene Licht in Richtung auf einen dritten Planspiegel (E) auf der gleichen Seite des zweiten Planspiegels (A) umlenkt, wobei der dritte Spanspiegel (E) gegen den von"dem zweiten Planspiegel (A) kommenden Lichtweg so geneigt ist, daß das empfangene Licht in Richtung auf die zu bestrahlende Oberfläche gelenkt wird, und daß diese Grundsegmente -zur Lichtsammlung in bezug zueinander so angeordnet sind, daß alle Bilder der Lichtquelle (bei P) auf der zu bestrahlenden Oberfläche überlagert werden, und ferner um die Lichtquelle so gruppiert sind, daß der größte Anteil des abgestrahlten Lichtflusses empfangen wird.