太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非成像系統(tǒng)，特別是一種太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽模擬器是一種在室內(nèi)利用人工光源模擬太陽光輻照特性的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)設(shè)備，已 在空間技術(shù)、遙感技術(shù)、氣象監(jiān)測和太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。太陽模擬 器已經(jīng)成為我國空間科學(xué)在地面進(jìn)行空間環(huán)境模擬試驗(yàn)研究的重要組成部分。太陽模擬器 多用于空間飛行器的地面環(huán)境模擬試驗(yàn)，是空間環(huán)境模擬設(shè)備的主要組成部分，為航天器 提供與太陽光譜分布相匹配的，并且均勻穩(wěn)定的光輻照。在航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)中，太 陽模擬器是最真實(shí)準(zhǔn)確的熱流模擬手段，應(yīng)用太陽模擬器可以高精度的完成航天器熱平衡 試驗(yàn)，特別是對形狀復(fù)雜、熱耦合關(guān)系復(fù)雜的航天器的熱平衡試驗(yàn)，必須用太陽模擬器來完 成。
[0003] 太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域光電轉(zhuǎn)換器件太陽電池的檢測，遙感技術(shù)領(lǐng)域中室內(nèi)模擬太 陽光譜輻照，生物科學(xué)領(lǐng)域研究植物發(fā)育與培育良種等等，都在應(yīng)用太陽模擬器。當(dāng)然，不 同領(lǐng)域的應(yīng)用對太陽光輻照的要求不盡相同，因此，對太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的指標(biāo)要求也 是不同的。
[0004] 在先技術(shù)，日本在中國申請的PCT專利CN201380013598. 1(山下電裝株式會(huì)社）， 和中國發(fā)明專利CN201110452084. 9、CN201010224117. X，公開的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)包括： 氣燈、橢球面反射鏡、光學(xué)積分器、光闌、準(zhǔn)直物鏡等。其中光學(xué)積分器由2個(gè)透鏡陣列（也 稱為復(fù)眼透鏡）構(gòu)成，其第一個(gè)透鏡陣列用作場鏡，其第二個(gè)透鏡陣列作為投影鏡，透鏡陣 列一般采用膠和方式制作。
[0005] 氙燈位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)處，光學(xué)積分器中的場鏡位于橢球面反射鏡的 第二焦點(diǎn)（或第二焦面）處。橢球面反射鏡的作用是將氙燈的光匯聚到位于第二焦點(diǎn)的光 學(xué)積分器的場鏡上。這樣的技術(shù)方案，將產(chǎn)生2個(gè)主要的問題：光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較長、光學(xué)積 分器處的能量密度較大，將導(dǎo)致太陽模擬器體積過大、光學(xué)積分器壽命過短等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于公開一種太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，米用光學(xué)積分器相對于橢球面 反射鏡第二焦點(diǎn)沿光軸方向離焦的方法，可以有效解決在先技術(shù)的太陽模擬器體積過大、 光學(xué)積分器壽命過短等問題。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，包括：氣燈、橢球面反射鏡、光學(xué)積分器、可變光闌、準(zhǔn) 直透鏡和輻照面，橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)的連線定義為太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng) 的光軸，氙燈的發(fā)光中心位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)，光學(xué)積分器包括第一透鏡陣列和 第二透鏡陣列，第一透鏡陣列和第二透鏡陣列的中心在光軸上，可變光闌的中心在光軸上， 準(zhǔn)直透鏡的中心在光軸上，組成共光軸的光學(xué)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，光學(xué)積分器位于橢球面反 射鏡的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)之間、且相對于所述的橢球面反射鏡第二焦點(diǎn)沿所述的光軸方 向，向第一焦點(diǎn)方向離焦249~251mm，準(zhǔn)直透鏡位于接近可變光闌的位置，可變光闌位于 光學(xué)積分器3和準(zhǔn)直透鏡5之間，輻照面位于準(zhǔn)直透鏡的后焦面位置。
[0009] 所述的光學(xué)積分器的第一透鏡陣列的后表面相對于第二透鏡陣列的前表面距離 為58. 37mm，福照面距離準(zhǔn)直透鏡后表面為602mm。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0011] 1、本發(fā)明的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)積分器相對于橢球面反射鏡第二焦點(diǎn)沿光 軸方向離焦，準(zhǔn)直透鏡接近光學(xué)積分器放置，可以大大縮短光學(xué)系統(tǒng)的長度，可以有效解決 在先技術(shù)太陽模擬器體積過大問題；
[0012] 2、本發(fā)明的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)積分器位于遠(yuǎn)離橢球面反射鏡第二焦點(diǎn)的 位置，輻射能量密度相對較低，對光學(xué)積分器玻璃材料和膠合材料的技術(shù)要求相對降低，可 以有效解決在先技術(shù)太陽模擬器壽命過短問題。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明的圖1中3、4、5的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明的圖1中光學(xué)積分器3的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下將對本發(fā)明的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0017] 本發(fā)明太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所不，包括：氣燈1、橢球面反射鏡2、光學(xué)積分 器3、可變光闌4、準(zhǔn)直透鏡5、輻照面6,橢球面反射鏡2的第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2的連 線定義為太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光軸，氙燈1的發(fā)光中心位于橢球面反射鏡2的第一焦點(diǎn) F1，可變光闌4的中心在光軸上，準(zhǔn)直透鏡5的中心在光軸上，組成共光軸的光學(xué)系統(tǒng)。
[0018] 如圖2和圖3所示，光學(xué)積分器3包括第一透鏡陣列231和第二透鏡陣列232,第 一透鏡陣列231和第二透鏡陣列232的中心在所述的的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)光軸上，第一 透鏡陣列231和第二透鏡陣列232均由一系列透鏡單元通過側(cè)壁膠合方式形成折射式陣列 光學(xué)組件，每個(gè)透鏡單元都是平凸透鏡，其4個(gè)側(cè)壁構(gòu)成為正方形形狀，前后2個(gè)表面是光 學(xué)表面。第一透鏡陣列231和第二透鏡陣列232反方向安裝，即每個(gè)透鏡單元的平面相對 安裝。
[0019] 如圖1所示，所述的的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)積分器3位于橢球面反射鏡2的 第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2之間、且相對于橢球面反射鏡2第二焦點(diǎn)F2沿光軸方向離焦一 定距離的位置（向第一焦點(diǎn)F1方向），準(zhǔn)直透鏡5位于接近可變光闌4的位置，可變光闌4 位于光學(xué)積分器3和準(zhǔn)直透鏡5之間，輻照面6位于準(zhǔn)直透鏡5的后焦面位置。
[0020] 氙燈1的功率為1600W，氙燈1的發(fā)光中心位于橢球面反射鏡2的第一焦點(diǎn)F1。
[0021] 橢球面反射鏡2的基體材料選用鍛鋁，內(nèi)表面拋光后鍍鎳，然后鍍鋁反射膜和二 氧化硅保護(hù)膜，橢球面反射鏡2的內(nèi)表面反射率為大于93%。橢球面反射鏡2的第一焦距 為60mm，第二焦距為800mm，口徑為360mm，底部通孔的直徑為75mm(用于安裝氣燈）。
[0022] 光學(xué)積分器3,包括2個(gè)完全相同的第一透鏡陣列231和第二透鏡陣列232,二者 的間距為58. 37mm，即第一透鏡陣列231的后表面相對于第二透鏡陣列232的前表面距離 為58. 37_，兩個(gè)透鏡陣列的透鏡單元的數(shù)量都為13 X 13,每個(gè)透鏡單元都是平凸透鏡，前 后表面分別鍍增透膜，凸面的半徑為32. 21_，中心厚度為6_，材料采用K9光學(xué)玻璃。
[0023] 光學(xué)積分器3的第一透鏡陣列231的前表面相對于橢球面反射鏡2第二焦點(diǎn)F2 沿光軸方向離焦249~251mm(向第一焦點(diǎn)F1方向）。
[0024] 準(zhǔn)直透鏡5,材料采用K9光學(xué)玻璃，前表面半徑為-8318mm，后表面半徑 為-300. 6mm，前后表面分別鍍增透膜，中心厚度為50mm，焦距為602mm。根據(jù)公知常識(shí)，采用 合適的冕玻璃和火石玻璃的雙膠合鏡，可以在一定孔徑范圍內(nèi)消除位置色差、球差和正弦 差，將有更好的效果，但是，本發(fā)明重點(diǎn)描述光學(xué)積分器3離焦所產(chǎn)生的良好效果，所以，沒 有描述用所述的的雙膠合鏡取代K9光學(xué)玻璃構(gòu)成準(zhǔn)直透鏡5的方案，這不影響本發(fā)明的意 義。
[0025] 輻照面6距離準(zhǔn)直透鏡5的后表面為602mm，在輻照面6上獲得的照明光斑尺寸為 >160mmX160mm。本發(fā)明在160mmX160mm的福照面照明范圍內(nèi)評價(jià)照明光強(qiáng)均勾性。照明 光強(qiáng)均勾性（uniformity)的定義為：
[0026]
[0027] 其中，IMax指在輻照面照明范圍內(nèi)照明光強(qiáng)的最大值，IMin指在輻照面照明范圍內(nèi) 照明光強(qiáng)的最小值。
[0028] 本發(fā)明采用Lighttools軟件經(jīng)過若干次的仿真計(jì)算以評估本發(fā)明的設(shè)計(jì)效果。 因?yàn)殡療羰潜容^好的點(diǎn)光源，色溫在6000K，接近太陽色溫；氙燈發(fā)光中心在氙燈的陰極附 近，光斑大約為1mm~2mm，所以仿真計(jì)算時(shí)光源設(shè)為球形面光源，半徑設(shè)為1mm。照明光強(qiáng) 均勻性的仿真結(jié)果如下：
[0029]
[0030] 本發(fā)明中所述的橢球面反射鏡底部有一個(gè)直徑75mm的通孔（用于安裝氙燈），在 仿真計(jì)算時(shí)將其設(shè)為光吸收；同時(shí)，將橢球面反射鏡的表面反射率設(shè)為93 %，將聚光鏡與 積分器的表面殘余反射和材料吸收折算成：聚光鏡與積分器透過率設(shè)為93%。仿真計(jì)算得 到本發(fā)明的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的總效率（在160mmX 160mm的輻照面照明范圍內(nèi)）為大 于30%，滿足輻射功率密度>100mW/cm2的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，包括：氣燈（I)、橢球面反射鏡（2)、光學(xué)積分器（3)、可變 光闌（4)、準(zhǔn)直透鏡（5)和輻照面（6)，所述的橢球面反射鏡（2)的第一焦點(diǎn)（Fl)和第二焦 點(diǎn)（F2)的連線定義為該太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光軸，所述的氙燈（1)的發(fā)光中心位于所述 的的第一焦點(diǎn)（Fl)，所述的光學(xué)積分器包括第一透鏡陣列（231)和第二透鏡陣列（232)，該 第一透鏡陣列和該第二透鏡陣列的中心在所述的光軸上，所述的的可變光闌的中心在所述 的光軸上，所述的準(zhǔn)直透鏡的中心在所述的光軸上，組成共光軸的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于， 所述的光學(xué)積分器位于所述的橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)之間、且相對于所述的 橢球面反射鏡第二焦點(diǎn)沿所述的光軸方向，向第一焦點(diǎn)方向離焦249~251_，所述的準(zhǔn)直 透鏡位于接近所述的可變光闌的位置，所述的可變光闌位于所述的光學(xué)積分器和所述的準(zhǔn) 直透鏡之間，所述的輻照面位于所述的準(zhǔn)直透鏡的后焦面位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光學(xué)積分器的第 一透鏡陣列的后表面相對于第二透鏡陣列的前表面的距離為58. 37mm，兩個(gè)透鏡陣列的透 鏡單元的數(shù)量都為13 X 13,每個(gè)透鏡單元都是平凸透鏡，前后表面分別鍍增透膜，凸面的半 徑為32. 21mm，中心厚度為6mm，材料采用K9光學(xué)玻璃。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的準(zhǔn)直透鏡材料采 用K9光學(xué)玻璃，前表面半徑為-8318mm，后表面半徑為-300. 6mm，前后表面分別鍍增透膜， 中心厚度為50mm，焦距為602mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的輻照面距離所 述的準(zhǔn)直透鏡后表面為602mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的輻照面的照明 范圍在160mmX 160mm內(nèi)，所述的光學(xué)積分器離焦249mm~251mm時(shí)，福照面的照明光強(qiáng)均 勻性為4. 1 %~5.0%。
【專利摘要】一種太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，包括：氙燈、橢球面反射鏡、光學(xué)積分器、可變光闌、準(zhǔn)直透鏡和輻照面，組成共光軸的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)積分器位于橢球面反射鏡的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)之間、且相對于橢球面反射鏡第二焦點(diǎn)沿光軸方向離焦一定距離的位置，準(zhǔn)直透鏡位于接近可變光闌的位置，可變光闌位于光學(xué)積分器和準(zhǔn)直透鏡之間，輻照面位于準(zhǔn)直透鏡的后焦面位置。本發(fā)明可以有效解決在先技術(shù)的太陽模擬器體積過大、光學(xué)積分器壽命過短的問題。
【IPC分類】G02B17/08, F21V13/04
【公開號(hào)】CN105042518
【申請?zhí)枴緾N201510407889
【發(fā)明人】蔡燕民, 王向朝
【申請人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月13日