10.4　太阳模拟器匀光系统的设计

太阳模拟器是一种非常典型的照明光学系统,用来模拟太阳辐射的准直性、均匀性和光谱特性。太阳模拟器利用人工光源模拟太阳光辐射,以克服太阳光辐射受时间和气候的影响,并且实现总辐照度的灵活调节,广泛用于航空航天、光伏、农业等领域。

太阳模拟器的核心技术指标包含光谱匹配度、辐照度不均匀性、辐照度不稳定度。太阳模拟器校准规范(JJF 1615-2017)中规定了A/B/C三种等级的太阳模拟器性能参数要求。太阳模拟器的辐照面从数十毫米到数米不等。多数情况下,用于航天载荷地面标定的太阳模拟器等级要求高,辐照面口径超过200mm。

太阳模拟器光学系统主要包含模拟光源、光学匀光器件、准直系统。球形氙灯是通常选用的光源,其光谱分布接近真实的太阳光谱,具有较大的输出功率,可以保证对辐照强度的要求。氙灯的光谱在紫外和可见光区域内与太阳光谱比较一致,但在近红外区域800～1 100nm存在许多强烈的尖峰状谱线,如图10-6所示。因此,在光源确定后,需要在光学系统中加入光学滤光片进行修正,使太阳模拟器的光谱分布与太阳光谱分布相符。

图10-6　氙灯光谱分布曲线

太阳模拟器的原理光路如图10-7所示。为了充分收集氙灯的辐射光能,将氙灯阳极和阴极之间的发光弧置于椭球反射镜的第一焦点位置,在椭球反射镜的第二焦点位置形成被放大的氙灯灯弧像。第二焦点与光学积分器重合,亮度不均匀的灯弧像被光学积分器分割,再经过准直镜投射,被分割后的各子孔径光斑在给定位置的出射辐照面上相互叠加,形成照度均匀的辐照面。

光学积分器是实现太阳模拟器辐照均匀性要求的核心器件,由前后两组紧密排列的透镜阵列组成,如图10-8所示。前组透镜阵列为积分器场镜,位于灯弧像处,即椭球反射镜的第二焦面,将灯弧成像在相对应的后组透镜上。后组透镜为积分器投影镜,将对应的前组透镜成像到最佳辐照面处。(www.xing528.com)

图10-7　典型的太阳模拟器原理光路

图10-8　太阳模拟器光学积分器

(a)一对透镜阵列;(b)前组透镜阵列对光斑的分割效果;(c)光学积分器成像关系

光学积分器的工作原理:前后组元素透镜互在对方的焦面处,相对应的前后组元素透镜组成一个光学通道。前组元素透镜将接收到的光源像对称分割,在后组对应的透镜上形成与分割次数相同的二次光源像,并跟对应的前组元素透镜对应成像,再通过准直物镜共同作用重叠成像于最佳辐照面处,即前组元素透镜和最佳辐照面共轭。由于光源发出的整个宽光束经前组透镜阵列分割成多个对称分布的细光束,这样就补偿了每个细光束范围内的微小不均匀性。根据物像共轭关系可知,每个光学通道的细光束,经过准直物镜共同作用成像在最佳辐照面的同一位置处并进行叠加,即实现均匀照明,经历了由微分到积分的过程,这样在最佳辐照面上可得到均匀的光强分布。元素透镜数目越多,被叠加的光斑数越多,均匀性就越好,但通道越多越难加工。太阳模拟器光学积分器透镜阵列一般选用六角孔径透镜。通道数可以为7、19、37、61。元素透镜的个数可根据光斑均匀性的要求,辐照不均匀性为±5%时,7通道可以满足;辐照不均匀性为±1%时,37通道可以满足。