ITMI981219A1

ITMI981219A1 - DEVICE SUITABLE FOR SIMULATING A HEAVENLY BODY ESPECIALLY SOLAR SIMULATOR AND CALIBRATION PROCEDURE

Info

Publication number: ITMI981219A1
Authority: IT
Inventors: Fred Ziegler
Original assignee: Daimler Benz Ag
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-12-02

Description

Descrizione Description

La presente invenzione concerne un dispositivo atto alla simulazione di un corpo celeste, specialmente un simulatore solare, nonché un procedimento di taratura per un dispositivo atto alla simulazione di un corpo celeste. The present invention relates to a device suitable for simulating a celestial body, especially a solar simulator, as well as a calibration procedure for a device suitable for simulating a celestial body.

Tali dispositivi si rendono per esempio necessari per collaudare sensori solari che vengono utilizzati nella tecnologia spaziale, per esempio in satelliti. Allo scopo è in generale necessario che la luce prodotta dal simulatore solare sia armonizzata per guanto possibile alla luce solare riguardo alla sua distribuzione spettrale ed alla sua intensità di irraggiamento. Inoltre, i raggi luminosi prodotti devono per quanto possibile correre l'uno parallelamente all'altro. Such devices are for example necessary to test solar sensors that are used in space technology, for example in satellites. For this purpose it is generally necessary that the light produced by the solar simulator is harmonized as far as possible to the sunlight with regard to its spectral distribution and its intensity of irradiation. Furthermore, the light rays produced must run parallel to each other as far as possible.

Il documento DE 89 03 260 U1 tratta un simulatore solare che contempla due lampade ad alta pressione allo xeno, la cui luce viene irradiata attraverso due specchi sferici, due specchi di forma ellittica e due diaframmi. Document DE 89 03 260 U1 deals with a solar simulator which includes two high-pressure xenon lamps, the light of which is radiated through two spherical mirrors, two elliptical mirrors and two diaphragms.

Tali simulatori solari non sono tuttavia in grado di irradiare la luce prodotta in modo che i raggi luminosi corrispondano anche nella loro geometria ai raggi luminosi del corpo celeste rispettivamente del sole osservabili sulla terra oppure in prossimità della terra. Oltre a ciò, i noti simulatori solari possiedono una molteplicità di componenti ottiche, le quali comportano una grandezza considerevole del dispositivo e richiedono un onere considerevole per quanto concerne fabbricazione e taratura. However, these solar simulators are not able to radiate the light produced in such a way that the light rays also correspond in their geometry to the light rays of the celestial body respectively of the sun observable on the earth or near the earth. In addition to this, the known solar simulators have a plurality of optical components, which involve a considerable size of the device and require a considerable burden as regards manufacturing and calibration.

Un'ulteriore problema consiste nel fatto di ridurre i gradienti di luminosità nell'immagine simulata del corpo celeste garantendo ciò nonostante una sufficiente intensità dell’irraggiamento. Al fine di conseguire durante il collaudo dei sensori solari un'intensità sufficiente dell'irraggiamento sono stati finora utilizzati speciali filtri per prove di laboratorio, che in un secondo tempo venivano sostituiti con filtri di volo. In proposito si presenta tuttavia il problema che, a motivo dell'irraggiamento più forte in occasione dell'impiego nello spazio, nella testa del sensore perviene luce diffusa. Oltre a ciò esiste il pericolo che, sostituendo i filtri prima del lancio, polvere od altre impurità possono pervenire nel sensore . A further problem consists in the fact of reducing the brightness gradients in the simulated image of the celestial body while still guaranteeing a sufficient intensity of radiation. In order to achieve sufficient radiation intensity during testing of the solar sensors, special laboratory test filters have been used up to now, which were later replaced with flight filters. However, the problem arises here that, due to the stronger irradiation when used in space, diffused light reaches the sensor head. In addition, there is a danger that, by replacing the filters before launch, dust or other impurities can reach the sensor.

A ciò si aggiunge ancora il fatto che, nei noti simulatori solari, dai componenti della sorgente luminosa viene prodotta una zona d'ombra che pregiudica la qualità dell'immagine simulata. Sussiste inoltre il problema che la sorgente luminosa atta alla simulazione dell'irraggiamento solare presenta un forte sviluppo di calore, il quale può portare al danneggiamento di elementi costruttivi o componenti oppure anche ad imprecisioni nella sintonizzazione dei componenti ottici . Added to this is the fact that, in known solar simulators, a shadow zone is produced from the components of the light source which compromises the quality of the simulated image. There is also the problem that the light source suitable for simulating solar radiation has a strong development of heat, which can lead to damage to construction elements or components or even to inaccuracies in the tuning of the optical components.

Compito della presente invenzione è pertanto quello di creare un dispositivo atto alla simulazione di un corpo celeste, in special modo del sole, con il quale la luce del corpo celeste, sia per quanto concerne l'intensità dell'irraggiamento e la distribuzione spettrale, come anche per quanto concerne l'uniformità e la geometria dei raggi luminosi, ci si avvicini all'irraggiamento naturale del corpo celeste. La modalità costruttiva dovrà in proposito essere per quanto possibile compatta. Si vuole venga inoltre indicato un procedimento di taratura per un tale dispositivo, con il quale l'approssimazione dei raggi, prodotti artificiosamente, ai raggi naturali del corpo celeste venga ottimizzata per quanto riguarda i criteri summenzionati, laddove l'onere dovrà essere per quanto possibile modesto. The task of the present invention is therefore to create a device suitable for simulating a celestial body, especially the sun, with which the light of the celestial body, both as regards the intensity of the radiation and the spectral distribution, as also as regards the uniformity and the geometry of the light rays, we approach the natural radiation of the celestial body. The construction method must be as compact as possible. We also want to indicate a calibration procedure for such a device, with which the approximation of the rays, artificially produced, to the natural rays of the celestial body is optimized with regard to the aforementioned criteria, where the burden must be as far as possible modest.

Questo compito viene risolto per effetto del dispositivo di cui alla rivendicazione 1 e del procedimento di taratura di cui alla rivendicazione 14. Altre caratteristiche, aspetti e dettagli vantaggiosi dell'invenzione si desumono dalle rivendicazioni subordinate, dalla descrizione e dai disegni . This task is solved as a result of the device as per claim 1 and the calibration process as per claim 14. Other advantageous features, aspects and details of the invention can be inferred from the subordinate claims, the description and the drawings.

Secondo un primo aspetto dell'invenzione viene creato un dispositivo atto alla simulazione di un corpo celeste, in special modo un simulatore solare, comprendente una sorgente luminosa la cui distribuzione spettrale è accordata allo spettro di un corpo celeste, e comprendente un sistema ottico il quale contempla uno specchio, un diaframma ed un obiettivo, per produrre dalla luce irradiata dalla sorgente luminosa un fascio di raggi parallelo, laddove il diametro del diaframma è armonizzato alla focale dell'obiettivo in modo tale che i raggi luminosi escano dall'obiettivo con un angolo di collimazione a che corrisponde all'angolo con cui il corpo celeste appare ad un osservatore ad una distanza definita. According to a first aspect of the invention, a device suitable for simulating a celestial body is created, especially a solar simulator, comprising a light source whose spectral distribution is tuned to the spectrum of a celestial body, and comprising an optical system which contemplates a mirror, a diaphragm and a lens, to produce a parallel beam of rays from the light radiated by the light source, where the diameter of the diaphragm is harmonized with the focal length of the lens in such a way that the light rays exit the lens at an angle collimation a which corresponds to the angle at which the celestial body appears to an observer at a defined distance.

Grazie alla cooperazione rispettivamente alla reciproca armonizzazione tra diaframma ed obiettivo di cui alla presente invenzione, la geometria dei raggi luminosi viene armonizzata in modo ottimale, laddove nel contempo viene garantita una sufficiente intensità dell'irraggiamento. Thanks to the cooperation respectively to the mutual harmonization between diaphragm and lens according to the present invention, the geometry of the light rays is harmonized in an optimal way, while at the same time a sufficient intensity of the radiation is guaranteed.

La potenza della sorgente luminosa è vantaggiosamente dimensionata in modo che l'intensità dell'irraggiamento del fascio di raggi corrisponda all'intensità dell'irraggiamento del corpo celeste. Il diaframma ed il fuoco dello specchio si trovano di preferenza nel piano focale dell'obiettivo. L'angolo di collimazione ammonta preferibilmente a 32 minuti di arco ed il fascio di raggio possiede di preferenza un'intensità di irradiazione pari a 135 mW/cm2. In qualità di sorgente luminosa può essere utilizzata una lampada luminescente a gas, per esempio una lampada ad alta pressione allo xeno. In seguito a ciò viene simulato in maniera ottimale il sole. The power of the light source is advantageously dimensioned so that the intensity of the irradiation of the beam of rays corresponds to the intensity of the irradiation of the celestial body. The aperture and focus of the mirror are preferably located in the focal plane of the lens. The collimation angle preferably amounts to 32 arc minutes and the beam beam preferably has an irradiation intensity equal to 135 mW / cm2. A gas luminescent lamp, such as a high-pressure xenon lamp, can be used as a light source. As a result, the sun is optimally simulated.

Il diaframma e lo specchio sono di preferenza disposti in modo che l'immagine del diaframma prodotta dallo specchio sia ubicata sulla zona più calda di un arco voltaico generato dalla sorgente luminosa. Viene in seguito a ciò conseguito un irraggiamento particolarmente uniforme e viene in ampia misura evitato un gradiente della luminosità. The diaphragm and the mirror are preferably arranged so that the image of the diaphragm produced by the mirror is located on the hottest area of an arc generated by the light source. As a result, a particularly uniform irradiation is achieved and a brightness gradient is largely avoided.

Lo specchio sarà a titolo di esempio un segmento di specchio ellissoidale disassato, nel cui primo fuoco è di preferenza disposta la sorgente luminosa e nel cui secondo fuoco è di preferenza disposto il diaframma. Si consegue in seguito a ciò una modalità costruttiva molto compatta e si può rinunciare all'impiego di lenti. Oltre a ciò non viene prodotta alcuna ombra dagli elementi costruttivi della sorgente luminosa. By way of example, the mirror will be an offset ellipsoidal mirror segment, in the first focus of which the light source is preferably arranged and in the second focus of which the diaphragm is preferably arranged. As a result, a very compact construction method is achieved and the use of lenses can be dispensed with. Furthermore, no shadow is produced by the constructive elements of the light source.

Un sistema di regolazione del flusso luminoso, che contempla la fotocellula per la misurazione del flusso luminoso ed un circuito di regolazione accoppiato con la fotocellula, può essere utilizzato ai fini di una regolazione precisa. A luminous flux regulation system, which includes the photocell for measuring the luminous flux and a regulation circuit coupled with the photocell, can be used for precise regulation.

Lo specchio rispettivamente la sua superficie è di preferenza realizzato in metallo, per esempio in alluminio. Si ottiene in seguito a ciò una precisione assai elevata della riproduzione. Il dispositivo può presentare un filtro di adattamento al fine di ancor meglio adattare alla distribuzione spettrale del corpo celeste l'irraggiamento della sorgente luminosa. Il diaframma sarà vantaggiosamente sostituibile con uno speciale diaframma di taratura che, assieme all'obiettivo, costituisce un dispositivo atto a tarare il sistema ottico. Uno specchio sferico può essere disposto in modo che esso riproduca in sé stesso, rovesciata, la sorgente luminosa. Nel fascio di raggi prodotto viene in seguito a ciò conseguita una distribuzione ancora più uniforme della luminosità. The mirror or its surface is preferably made of metal, for example aluminum. As a result, a very high accuracy of reproduction is achieved. The device can have an adaptation filter in order to better adapt the irradiation of the light source to the spectral distribution of the celestial body. The diaphragm can advantageously be replaced with a special calibration diaphragm which, together with the objective, constitutes a device suitable for calibrating the optical system. A spherical mirror can be arranged so that it reproduces in itself, upside down, the light source. As a result, an even more uniform distribution of brightness is achieved in the resulting beam.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione viene indicato un procedimento di taratura per un dispositivo atto alla simulazione di un corpo celeste, procedimento nel quale un piano del diaframma del dispositivo viene osservato più in grande attraverso un obiettivo del dispositivo, laddove un diaframma giacente nel piano del diaframma viene regolato riguardo alla sua posizione in modo che la sua apertura riproduca la zona più calda di un arco voltaico generato da una sorgente luminosa. Vengono in seguito a ciò conseguiti uno sfruttamento particolarmente buono della potenza della sorgente luminosa ed una distribuzione particolarmente uniforme della luminosità. According to another aspect of the invention, a calibration procedure is indicated for a device suitable for simulating a celestial body, a procedure in which a plane of the diaphragm of the device is observed larger through a lens of the device, whereas a diaphragm lying in the plane of the diaphragm is adjusted with respect to its position so that its opening reproduces the hottest area of an arc generated by a light source. As a result, a particularly good utilization of the power of the light source and a particularly even distribution of brightness are achieved.

La taratura ha luogo vantaggiosamente in modo tale che un'immagine prodotta da uno specchio ellissoidale e/oppure da uno specchio sferico di un catodo della sorgente luminosa venga a trovarsi al di fuori del bordo del diaframma. Il diaframma ed il fuoco dello specchio si trovano preferibilmente nel piano focale dell'obiettivo. Di preferenza viene anzitutto effettuata una taratura nello stato freddo, con sorgente luminosa disattivata, e successivamente viene effettuata una taratura nello stato caldo, con sorgente luminosa inserita. Può in seguito a ciò aver luogo una regolazione particolarmente precisa ed ottimizzata del diaframma . The calibration advantageously takes place in such a way that an image produced by an ellipsoidal mirror and / or by a spherical mirror of a cathode of the light source is located outside the edge of the diaphragm. The aperture and focus of the mirror are preferably located in the focal plane of the lens. Preferably, a calibration is first carried out in the cold state, with the light source deactivated, and subsequently a calibration is carried out in the warm state, with the light source inserted. As a result, a particularly precise and optimized adjustment of the diaphragm can take place.

La presente invenzione viene in appresso descritta in relazione ai disegni, nei quali The present invention is hereinafter described in connection with the drawings, in which

la figura 1 mostra un simulatore solare quale preferita forma di realizzazione dell'invenzione; la figura 2 mostra schematicamente la strutturazione del simulatore solare di cui all1invenzione; Figure 1 shows a solar simulator as a preferred embodiment of the invention; Figure 2 schematically shows the structure of the solar simulator according to the invention;

la figura 3 mostra schematicamente l'andamento dei raggi nella zona del diaframma e dell'obiettivo; e Figure 3 schematically shows the pattern of the rays in the region of the diaphragm and of the objective; And

la figura 4 mostra un particolare di una lampada ad incandescenza a gas con l'arco voltaico in essa prodotto e la regolazione dell’immagine del diaframma . Figure 4 shows a detail of a gas incandescent lamp with the voltaic arc produced in it and the adjustment of the diaphragm image.

La figura 1 mostra un simulatore solare in qualità di preferita forma di realizzazione dell'invenzione. Il simulatore possiede una carcassa 1, nel cui vano interno rispettivamente nel cui centro è disposta una lampada rispettivamente una sorgente luminosa 2. La sorgente luminosa 2 è una lampada ad alta pressione allo xeno, che viene fatta funzionare tramite un apparecchio di accensione 3 ed uno stabilizzatore preinserito. Nella carcassa 1 sono inoltre disposti uno specchio sferico 4 ed uno specchio ellissoidale 5. Per effetto della disposizione di specchi la luce prodotta dalla sorgente luminosa 2 viene diretta, sotto forma di fascio, su un diaframma 6 che si trova nella zona della parete anteriore la della carcassa 1. A valle del diaframma 6 è disposto un obiettivo 7 al fine di produrre dai raggi luminosi divergenti un fascio di raggi paralleli. Figure 1 shows a solar simulator as a preferred embodiment of the invention. The simulator has a housing 1, in whose internal compartment respectively a lamp or a light source 2 is arranged in the center. The light source 2 is a high-pressure xenon lamp, which is operated by means of an ignition device 3 and a pre-inserted stabilizer. A spherical mirror 4 and an ellipsoidal mirror 5 are also arranged in the casing 1. As a result of the arrangement of mirrors, the light produced by the light source 2 is directed, in the form of a beam, onto a diaphragm 6 which is located in the area of the front wall la of the casing 1. An objective 7 is arranged downstream of the diaphragm 6 in order to produce a beam of parallel rays from the diverging light rays.

La figura 2 mostra i componenti del simulatore solare in qualità di preferita forma di realizzazione dell'invenzione e l'andamento dei raggi in rappresentazione schematica. Lo specchio ellissoidale 5 viene formato da un segmento di specchio ellissoidale disassato, il quale è disposto in modo che la sorgente luminosa 2 si trovi nel suo primo fuoco F1 .Lo specchio ellissoidale 5 focalizza 1 'irraggiamento proveniente dalla sorgente luminosa 2 nel proprio secondo fuoco F3, nel quale è anche disposto il diaframma 6. L'obiettivo 7, posto a valle del diaframma 6 nella direzione di irraggiamento, è disposto in modo che il diaframma 6 si trovi nel suo piano focale. Tutti i fasci di raggi divergenti, che si dipartono da un punto del diaframma, corrono parallelamente a valle dell'obiettivo 7. Il diametro del diaframma 6 è armonizzato alla focale dell'obiettivo 7 in modo che tutti i fasci di raggi paralleli, che escono dietro all'obiettivo 7, si trovino all'interno di un cono avente un angolo di apertura rispettivamente un angolo di collimazione a di 32 minuti di arco. Quest'angolo è lo stesso con il quale il sole, che nel cielo sta ad una distanza quasi infinita, appare all'osservatore terrestre. Figure 2 shows the components of the solar simulator as a preferred embodiment of the invention and the pattern of the rays in a schematic representation. The ellipsoidal mirror 5 is formed by an offset ellipsoidal mirror segment, which is arranged so that the light source 2 is in its first focus F1. The ellipsoidal mirror 5 focuses the radiation coming from the light source 2 into its second focus. F3, in which the diaphragm 6 is also arranged. The objective 7, located downstream of the diaphragm 6 in the direction of irradiation, is arranged so that the diaphragm 6 is in its focal plane. All the diverging beams of rays, which depart from a point of the diaphragm, run parallel downstream of the lens 7. The diameter of the diaphragm 6 is harmonized with the focal length of the lens 7 so that all the parallel beams of rays, which exit behind the objective 7, are inside a cone having an aperture angle respectively a collimation angle a of 32 arc minutes. This angle is the same with which the sun, which is at an almost infinite distance in the sky, appears to the terrestrial observer.

Esternamente, sull'obiettivo 7, è disposto un filtro di adattamento 8, il quale avvicina ancora di più la distribuzione spettrale dell'irraggiamento simulato allo spettro solare. Nella forma di realizzazione qui descritta dell'invenzione, che serve alla simulazione del sole, in qualità di sorgente luminosa 2 viene utilizzata una lampada allo xeno, la cui distribuzione spettrale è in larga misura approssimata alla luce solare naturale. Al fine di ottimizzare ancora di più l'avvicinamento, tramite il filtro di adattamento 8 vengono attenuati i massimi dell'emissione della lampada allo xeno compresi tra 800 nm ed 840 nm, nonché tra 860 nm e 1000 nm. Externally, on the objective 7, an adaptation filter 8 is arranged, which brings the spectral distribution of the simulated irradiation even closer to the solar spectrum. In the embodiment of the invention described here, which serves to simulate the sun, a xenon lamp is used as the light source 2, the spectral distribution of which is largely approximated to natural sunlight. In order to further optimize the approach, the maximum emission of the xenon lamp between 800 nm and 840 nm, as well as between 860 nm and 1000 nm, is attenuated by means of the adaptation filter 8.

Il segmento 5 di specchio ellissoidale disassato è fabbricato in alluminio. Grazie all'impiego di un'ottica metallica il simulatore diventa particolarmente compatto. Il segmento 5 di specchio ellissoidale presenta una precisione superficiale estremamente elevata. Ai fini della simulazione del sole viene utilizzata solo una determinata zona parziale dell'arco voltaico prodotto dalla lampada ad alta pressione allo xeno, che più oltre viene descritta. The offset ellipsoidal mirror segment 5 is made of aluminum. Thanks to the use of a metal optic, the simulator becomes particularly compact. The ellipsoidal mirror segment 5 has an extremely high surface accuracy. For the purposes of the simulation of the sun, only a certain partial area of the electric arc produced by the high-pressure xenon lamp is used, which is described below.

Lo specchio sferico 4 è disposto sul lato della sorgente luminosa 2 contrapposto allo specchio ellissoidale 5. Lo specchio sferico 4 è in proposito disposto in modo che la sorgente luminosa 2 rispettivamente l'arco voltaico generato dalla lampada ad arco corto allo xeno si trovi nel suo centro di curvatura. La lampada ad arco corto allo xeno è disposta nella carcassa 1 in piedi e viene riprodotta in se stessa, rovesciata, dallo specchio sferico 4. In seguito a ciò viene conseguita un'intensità luminosa .più uniforme dell'immagine dell'arco voltaico sul diaframma 6. The spherical mirror 4 is arranged on the side of the light source 2 opposite the ellipsoidal mirror 5. The spherical mirror 4 is thus arranged in such a way that the light source 2 or the arc generated by the xenon short arc lamp is in its center of curvature. The xenon short arc lamp is arranged in the housing 1 standing up and is reproduced in itself, inverted, by the spherical mirror 4. As a result, a more uniform light intensity is achieved. Of the arc image on the diaphragm. 6.

Una fotocellula, non rappresentata nelle raffigurazioni, si protende nel raggio, ai margini del raggio di uscita del simulatore, e misura il flusso luminoso. Tramite un circuito di regolazione che si trova nello stabilizzatore preinserito la corrente della lampada viene regolata attraverso un segnale generato dalla fotocellula e viene mantenuta costante su un valore regolabile. A photocell, not shown in the illustrations, extends into the beam, at the edge of the simulator's exit beam, and measures the luminous flux. By means of a regulation circuit located in the pre-inserted stabilizer, the lamp current is regulated through a signal generated by the photocell and is kept constant on an adjustable value.

L'alimentazione elettrica del dispositivo ha luogo attraverso uno stabilizzatore preinserito di rete. In proposito, sull'apparecchio può essere regolata una qualsiasi intensità di corrente arbitraria, compresa tra 0 e 160 A. The power supply of the device takes place through a pre-inserted mains stabilizer. In this regard, any arbitrary current intensity between 0 and 160 A can be set on the device.

La figura 3 mostra schematicamente la parte, costituita dal diaframma 6 e dall'obiettivo 7, del sistema ottico e l'andamento dei raggi luminosi. Il diametro del diaframma 6 e la focale dell'obiettivo 7 sono armonizzati tra loro in modo che i raggi luminosi fuoriescano dall'obiettivo 7 con l'angolo di collimazione rispettivamente di apertura a. Al fine di simulare la geometria dei raggi solari, le componenti vengono armonizzate tra loro in modo che l'angolo di collimazione a ammonti a 32 minuti di arco. Nel caso in questione, la precisione ammonta a ± 0,2 minuti di arco. Per effetto del dispositivo di cui all'invenzione può perciò essere generato un fascio di raggi, nel quale l'intensità di irraggiamento ammonta ad una costante solare, laddove in aggiunta anche l'angolo di collimazione è approssimato a quello dell'irraggiamento solare. Nel caso in questione il simulatore solare produce un fascio di raggi avente sezione trasversale circolare, il cui diametro ammonta a 200 mm. Figure 3 schematically shows the part, consisting of the diaphragm 6 and the lens 7, of the optical system and the course of the light rays. The diameter of the diaphragm 6 and the focal length of the objective 7 are harmonized with each other so that the light rays exit from the objective 7 with the collimation angle respectively of aperture a. In order to simulate the geometry of the sun's rays, the components are harmonized with each other so that the angle of collimation a amounts to 32 arc minutes. In this case, the accuracy amounts to ± 0.2 arc minutes. As a result of the device according to the invention, a beam of rays can therefore be generated, in which the intensity of irradiation amounts to a solar constant, wherein the angle of collimation is also approximated to that of solar irradiation. In the case in question, the solar simulator produces a beam of rays having a circular cross-section, the diameter of which amounts to 200 mm.

La figura 4 mostra un particolare di una lampada al alta pressione allo xeno, che viene utilizzata in qualità di sorgente luminosa 2 per il dispositivo simulatore di cui all'invenzione, al fine di simulare la luce solare. Tra un catodo 21 ed un anodo 22 un arco voltaico 30 viene generato tramite una scarica in gas. Nella figura 4, tra il catodo 21 e l'anodo 22, sono rappresentate linee 30a di uguale intensità luminosa. Il plasma allo xeno incandescente possiede un'elevata intensità luminosa ed una distribuzione spettrale, che è in larga misura prossima allo spettro solare. Al fine di soddisfare, all'uscita del simulatore solare, entrambi i requisiti, vale a dire da un lato conseguire un'intensità dell’irraggiamento pari ad una costante solare e dall'altro lato realizzare un angolo di apertura pari a 32 minuti di arco, è necessario che l'intensità luminosa del plasma sia un poco più grande rispetto all'intensità luminosa sulla superficie del sole, dato che devono essere compensate perdite. Per ottenere un'intensità luminosa particolarmente elevata ed una distribuzione uniforme della luminosità nel raggio di uscita, nell'invenzione in oggetto viene riprodotta solo la zona del campo luminoso rispettivamente dell'arco voltaico che si trova direttamente sopra il catodo 21, vale a dire la zona di massima intensità luminosa. In seguito a ciò viene ottimizzato lo sfruttamento dell'arco voltaico ed in ampia misura viene evitato rispettivamente viene considerevolmente ridotto un gradiente di luminosità . Figure 4 shows a detail of a high-pressure xenon lamp, which is used as a light source 2 for the simulator device according to the invention, in order to simulate sunlight. Between a cathode 21 and an anode 22 an electric arc 30 is generated by means of a gas discharge. In figure 4, between the cathode 21 and the anode 22, lines 30a of equal luminous intensity are represented. Glowing xenon plasma has a high luminous intensity and a spectral distribution, which is largely close to the solar spectrum. In order to satisfy both requirements at the exit of the solar simulator, i.e. on the one hand to achieve an intensity of irradiation equal to a solar constant and on the other hand to achieve an opening angle of 32 arc minutes , it is necessary that the luminous intensity of the plasma is a little greater than the luminous intensity on the surface of the sun, since losses have to be compensated for. In order to obtain a particularly high light intensity and a uniform distribution of brightness in the output beam, in the present invention only the area of the light field respectively of the arc which is located directly above the cathode 21 is reproduced, i.e. the area of maximum light intensity. As a result, the exploitation of the arc is optimized and a brightness gradient is largely avoided or considerably reduced.

Il cerchio 61 nella figura 4 mostra la riproduzione dell'immagine del diaframma sull'arco voltaico 30. Ciò significa che il diaframma 6 viene riprodotto attraverso lo specchio ellissoidale 5 su un piano che nell'arco voltaico 30 si trova sopra il catodo 21 rispettivamente nelle sua immediate vicinanze e pertanto è ubicato nella zona più calda dell'arco voltaico 30. In proposito, l'apertura del diaframma viene scelta in modo che l'immagine del diaframma si trovi completamente nella zona più calda dell'arco voltaico 30. In seguito a ciò, le zone dell'arco voltaico 30 che si trovano più all'esterno, nonché il catodo 21 e l'anodo 22 vengono mascherati. The circle 61 in Figure 4 shows the reproduction of the image of the diaphragm on the arc 30. This means that the diaphragm 6 is reproduced through the ellipsoidal mirror 5 on a plane which in the arc 30 is above the cathode 21 respectively in the its immediate vicinity and therefore is located in the hottest area of the arc 30. In this regard, the aperture of the diaphragm is chosen so that the image of the diaphragm is completely in the hottest area of the arc 30. Later to this, the areas of the voltaic arc 30 which are further out, as well as the cathode 21 and anode 22 are masked.

Il cerchio 61, con il campo luminoso in ampia misura omogeneo in esso situato, funge pertanto da sorgente luminosa atta a produrre 1'irraggiamento simulato del corpo celeste rispettivamente del sole. L'uniformità così conseguita dell'irraggiamento viene, come descritto più sopra, ancor più aumentata per effetto della riproduzione rovesciata dell'arco voltaico 30 per mezzo dello specchio sferico 4. The circle 61, with the largely homogeneous light field located therein, therefore acts as a light source capable of producing the simulated irradiation of the celestial body respectively of the sun. The uniformity of the radiation thus achieved is, as described above, even more increased by the effect of the inverted reproduction of the voltaic arc 30 by means of the spherical mirror 4.

Nel fondo della carcassa 1, in prossimità del baricentro del simulatore, si trovano due dime di foratura circolari per il fissaggio su un piede. In aggiunta, nella piastra di fondo della carcassa 1, sono avvitati tre piedi con appoggi oscillanti, sui quali il simulatore può essere collocato su un tavolo. Nella piastra di fondo si trovano viti di regolazione che sono accessibili dall'esterno. In the bottom of the casing 1, near the center of gravity of the simulator, there are two circular drilling templates for fixing on a foot. In addition, three feet with oscillating supports are screwed into the bottom plate of the casing 1, on which the simulator can be placed on a table. There are adjusting screws in the bottom plate which are accessible from the outside.

Grazie ai piedi viene garantito che il posizionamento abbia luogo ad altezza sufficiente sopra il tavolo. Thanks to the feet it is ensured that the positioning takes place at sufficient height above the table.

Gli elementi di taratura non caratterizzati nelle figure contemplano dispositivi di regolazione che sono accessibili dall'esterno quando il contenitore della lampada è chiuso. In proposito, l'azionamento ha luogo o a partire dalla piastra di fondo oppure attraverso piccole aperture nelle pareti della carcassa 1, che sono ricoperte con sportelli a ribalta. Un primo dispositivo di regolazione consente la regolazione dell'obiettivo 7 relativamente al diaframma 6 nella direzione assiale. Un secondo dispositivo di regolazione permette che il diaframma 6 sia regolabile parimenti in direzione assiale relativamente all'obiettivo 7 ed allo specchio ellissoidale 5. Un terzo dispositivo di regolazione è accoppiato con un supporto dello specchio ellissoidale 5 e contempla rispettivamente un regolatore di traslazione in senso laterale ed in senso assiale, nonché due regolatori di rotazione attorno a due assi giacenti ortogonalmente rispetto all'asse del simulatore. La lampada rispettivamente la sorgente luminosa 5 può essere rovesciata, assieme al proprio supporto, attorno a due assi orizzontali e può in aggiunta essere spostata in direzione verticale. Un supporto dello specchio sferico 4 contempla rispettivamente un regolatore di traslazione nel senso laterale ed in quello assiale, nonché un regolatore di rotazione attorno ad un asse verticale. L'intero supporto può oltre a ciò essere ribaltato attorno a due assi orizzontali ed in aggiunta può essere spostato nella direzione verticale. The calibration elements not characterized in the figures comprise adjustment devices which are accessible from the outside when the lamp container is closed. In this case, the actuation takes place either from the bottom plate or through small openings in the walls of the housing 1, which are covered with flap doors. A first adjustment device allows adjustment of the lens 7 relative to the diaphragm 6 in the axial direction. A second adjustment device allows the diaphragm 6 to be adjusted equally in the axial direction relative to the objective 7 and to the ellipsoidal mirror 5. A third adjustment device is coupled to a support of the ellipsoidal mirror 5 and provides respectively a directional translation regulator. lateral and axial direction, as well as two rotation regulators around two axes lying orthogonally with respect to the axis of the simulator. The lamp or the light source 5 can be overturned, together with its support, around two horizontal axes and can in addition be moved in the vertical direction. A support of the spherical mirror 4 comprises respectively a translation regulator in the lateral and axial direction, as well as a rotation regulator around a vertical axis. In addition, the entire support can be tilted around two horizontal axes and in addition can be moved in the vertical direction.

Per tarare il dispositivo di simulazione ha anzitutto luogo una pretaratura meccanica dei componenti ottici con l'ausilio di marche di riferimento e successivamente ha luogo una taratura fine, interna, del simulatore nello stato freddo, vale a dire con sorgente luminosa 2 disattivata, laddove la carcassa 1 è aperta. To calibrate the simulator, first a mechanical presetting of the optical components takes place with the aid of reference marks and then a fine, internal calibration of the simulator takes place in the cold state, i.e. with light source 2 deactivated, whereby the casing 1 is open.

Per la taratura fine a freddo il diaframma 6 viene sostituito con uno speciale diaframma di taratura non rappresentato. Questo consente, nonostante un'uguale apertura e posizione del diaframma, un'osservazione del campo circostante del piano del diaframma. Quando la taratura è corretta il piano del diaframma è identico al piano dell'immagine dello specchio ellissoidale 5. For cold fine calibration the diaphragm 6 is replaced with a special calibration diaphragm not shown. This allows, despite an equal aperture and position of the diaphragm, an observation of the surrounding field of the diaphragm plane. When the calibration is correct the plane of the diaphragm is identical to the image plane of the ellipsoidal mirror 5.

Il piano del diaframma può ora essere osservato attraverso l'obiettivo 7 del simulatore con l'occhio oppure con una telecamera. Grazie a questa speciale disposizione dei componenti ottici all'atto della taratura, il piano del diaframma è rappresentato più in grande, come se fosse visto attraverso una lente di ingrandimento. In seguito a ciò è possibile regolare tanto l'immagine del catodo 21 della lampada, riprodotta dallo specchio ellissoidale 5, come anche l'immagine del catodo 21 rovesciata, prodotta dallo specchio sferico 5, in modo tale che entrambe vadano a posizionarsi appena al di fuori del bordo del diaframma. The plane of the diaphragm can now be observed through the lens 7 of the simulator with the eye or with a camera. Thanks to this special arrangement of the optical components at the time of calibration, the plane of the diaphragm is represented larger, as if viewed through a magnifying glass. As a result, it is possible to adjust both the image of the cathode 21 of the lamp, reproduced by the ellipsoidal mirror 5, as well as the image of the inverted cathode 21, produced by the spherical mirror 5, so that both are positioned just above outside the edge of the diaphragm.

Anche il posizionamento dell'immagine della lampada nella direzione assiale ha luogo con l'ausilio del diaframma di taratura. In proposito, la taratura ha luogo in modo che le immagini della lampada giacciano nel piano del diaframma. In questo caso, quando con l'occhio oppure con la telecamera ci si sposta in qua ed in la rispettivamente verso l'alto e verso il basso davanti all'obiettivo 7, 1'immagine della lampada relativamente al diaframma 6 deve rimanere sempre nello stesso punto. The positioning of the lamp image in the axial direction also takes place with the aid of the calibration diaphragm. In this regard, the calibration takes place so that the images of the lamp lie in the plane of the diaphragm. In this case, when with the eye or with the camera one moves up and down respectively up and down in front of the lens 7, the image of the lamp relative to the diaphragm 6 must always remain in the same point.

Di seguito alla taratura fine a freddo ha luogo ora una taratura fine a caldo, con sorgente luminosa 2 inserita. In proposito è chiusa la carcassa 1, nella quale si trova la lampada. La taratura fine a caldo ha luogo con il diaframma 6, che in questo caso è uno schermo parasole. Nella prima fase della taratura fine a caldo le due immagini dell'arco voltaico, che vengono proiettate dallo specchio ellissoidale e dallo specchio posteriore 4 sferico, vengono osservate con l'aiuto di filtri grigio scuro. La regolazione ha luogo in modo che l'apertura del diaframma si trovi, per quanto concerne la propria posizione, vicina al catodo 21 della lampada. Un ulteriore criterio di regolazione è l'assenza di vignettatura nell'intero raggio di uscita . Following the cold fine calibration, a hot fine calibration now takes place with light source 2 switched on. In this regard, the housing 1, in which the lamp is located, is closed. Hot fine tuning takes place with diaphragm 6, which in this case is a sun screen. In the first phase of the hot fine calibration, the two images of the arc, which are projected by the ellipsoidal mirror and by the spherical rear mirror 4, are observed with the help of dark gray filters. The adjustment takes place so that the aperture of the diaphragm is, as far as its position is concerned, close to the cathode 21 of the lamp. A further adjustment criterion is the absence of vignetting in the entire output range.

La seconda fase della taratura fine ha ora luogo per mezzo di una fotocellula che viene spostata nel raggio di uscita del simulatore. Il criterio di regolazione è in proposito il conseguimento di una distribuzione per quanto possibile uniforme della luce sulla sezione trasversale del raggio. The second phase of the fine calibration now takes place by means of a photocell which is moved in the exit beam of the simulator. The adjustment criterion here is to achieve as uniform a distribution of the light as possible over the cross section of the beam.

Nella taratura fine a caldo, che viene effettuata con carcassa chiusa, le movimentazioni dei componenti ottici vengono attuate tramite viti di regolazione non rappresentate nelle figure. Queste sono in parte accessibili attraverso le piccole aperture, copribili, nelle pareti della carcassa 2 del simulatore, aperture che sono state descritte più sopra. In the hot fine calibration, which is carried out with the casing closed, the movements of the optical components are carried out by means of adjustment screws not shown in the figures. These are partly accessible through the small openings, which can be covered, in the walls of the casing 2 of the simulator, which have been described above.

Utilizzando una lampada con elevata potenza si dovrà provvedere ad un sufficiente raffreddamento. Nel caso della lampada alla xeno, che viene utilizzata per la simulazione del sole, la potenza ammonta a circa 4200 W. Per dissipare il calore che si forma, sul lato superiore della carcassa 1, direttamente sopra la lampada rispettivamente la sorgente luminosa 2, è applicato un bocchello di aspirazione . By using a lamp with high power, sufficient cooling must be provided. In the case of the xenon lamp, which is used for simulating the sun, the power amounts to approximately 4200 W. To dissipate the heat that forms, on the upper side of the housing 1, directly above the lamp or the light source 2, is applied a suction nozzle.

Al bocchello di aspirazione, tramite un tubo flessibile del diametro di 200 mm, è connesso un impianto di aspirazione per il raffreddamento forzato della lampada 2. La capacità di aspirazione è in proposito regolata su un valore tanto alto, per cui la velocità del vento sull'equatore della lampada, ad una distanza di 5 mm, ammonti perlomeno a 5 m/s. In seguito a ciò viene assicurato che la temperatura massima ammissibile dello zoccolo della lampada non superi i 230°C. Il bulbo della lampada reca un rivestimento speciale, il quale fa sì che l'aria aspirata sia povera in ozono. In seguito a ciò viene evitato un inquinamento dell'ambiente. A suction system for forced cooling of the lamp 2 is connected to the suction nozzle via a 200 mm diameter flexible pipe. the equator of the lamp, at a distance of 5 mm, amounts to at least 5 m / s. As a result, it is ensured that the maximum permissible temperature of the lamp socket does not exceed 230 ° C. The bulb of the lamp has a special coating, which ensures that the air drawn in is poor in ozone. As a result, environmental pollution is avoided.

Sebbene l'invenzione sia descritta in relazione ad un simulatore solare, essa non è limitata a questa forma di realizzazione preferita. Con la presente invenzione è tuttavia possibile simulare con elevata qualità il sole, tanto per quanto concerne la sua intensità di irraggiamento come anche per quanto concerne la sua geometria, per un osservatore che si trova sulla terra oppure in prossimità della terra. Oltre alla simulazione contemporanea dell'intensità di irraggiamento e della geometria del sole, anche la distribuzione spettrale del raggio di luce prodotto si avvicina con elevata precisione all'irraggiamento solare. A ciò si aggiunge l'elevata uniformità dell' irraggiamento simulato del corpo celeste. Although the invention is described in connection with a solar simulator, it is not limited to this preferred embodiment. With the present invention, however, it is possible to simulate the sun with high quality, both as regards its intensity of irradiation as well as its geometry, for an observer who is on the earth or near the earth. In addition to simulating the intensity of irradiation and the geometry of the sun at the same time, the spectral distribution of the light beam produced also approaches solar irradiation with high precision. To this is added the high uniformity of the simulated radiation of the celestial body.

Claims

Claims 1.- Device designed to simulate a celestial body, especially a solar simulator, characterized by a light source (2), whose spectral distribution is adapted to the spectrum of a celestial body, an optical system, which includes a mirror (5), a diaphragm (6) and an objective (7), to produce a beam of parallel rays from the light radiated by the light source (2), where the diameter of the diaphragm (6) is adapted to the focal length of the objective (7) in such a way that the light rays exit the objective with a collimation angle a, which corresponds to the angle at which the celestial body appears at a observer at a defined distance. 2.- Device according to Claim 1, characterized in that the power of the light source (2) is dimensioned so that the intensity of the radiation of the beam of rays corresponds to the intensity of the radiation of the celestial body. 3.- Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (6) and the focus of the mirror (5) are located in the focal plane of the objective (7). 4. Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the collimation angle amounts to 32 arc minutes and the beam of rays has an intensity of irradiation equal to 135 mW / cm2. 5.- Device according to one of the preceding claims, characterized in that the image of the diaphragm (6) produced by the mirror (5) lies on the hottest area of an electric arc generated by the light source (2). 6.- Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror (5) is an offset ellipsoidal mirror segment, in whose first focus F1 the light source (2) is arranged and in whose second focus F2 the diaphragm (6). 7.- Device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the mirror is made of metal, preferably of aluminum. 8.- Device according to one of the preceding claims, further characterized by a luminous flux regulation system, which comprises a photocell for measuring the luminous flux and a regulation circuit coupled to the photocell. 9.- Device according to one of the preceding claims, further characterized by an adaptation filter (8) which serves to adapt the irradiation of the light source (2) to the spectral distribution of the celestial body. 10.- Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (6) can be replaced with a calibration diaphragm in order to constitute together with the objective (7) a device suitable for calibrating the optical system. 11.- Device according to one of the preceding claims, further characterized by a spherical mirror (4), which is arranged in such a way as to reproduce in itself, upside down, the light source (2). 12. A device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (2) is a gas luminescent lamp, preferably a high-pressure xenon lamp. 13. Device according to one of the preceding claims, further characterized by regulation elements, which can be operated from the outside, for the calibration of individual components of the device. 14 .- Calibration procedure for a device suitable for simulating a celestial body, characterized by the fact that a plane of the device's diaphragm is viewed larger through an objective (7) of the device, whereas a diaphragm (6), lying in the plane of the diaphragm, is adjusted, as regards its position, so that its opening reproduces the hottest area of an electric arc generated by a light source (2). 15 .- Calibration procedure according to claim 14, characterized in that the image, drawn by an ellipsoidal mirror (5) and / or by a spherical mirror (4), of a cathode (21) of the light source (2) comes to be outside the edge of the diaphragm. 16.- Calibration method according to Claim 14 or 15, characterized in that, after a calibration in the cold state, with the light source (2) deactivated, a calibration takes place in the warm state, with the light source (2) switched on.