太阳模拟器用光学积分器设计

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷,改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理;阐述了光学系统的优化设计技术;对其光机结构进行合理化设计,并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后,利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明:使用所设计的光学积分器后,太阳模拟器辐照不均匀度明显降低,在Φ60 mm范围内小于±1％,在Φ(60～200)mm范围内小于±2％.该结果与实际检测结果一致,能够满足高准确度的使用要求.     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm×200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到172 %。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。     

具有一个太阳常量的高准直太阳模拟器光学系统设计

为解决现有太阳模拟器无法同时模拟真实太阳张角和真实辐照度(一个太阳常量)的难题,设计了一种新型太阳模拟器光学系统,阐述了光学系统中聚光镜的设计、光学积分器的优化技术及投影镜组的离焦对辐照不均匀度的影响.利用Zemax软件,以序列与非序列功能相结合的方式对积分器的光学参量进行优化,并设计了视场光阑和准直物镜系统.利用LightTools软件对光学系统进行仿真,结果表明:设计的太阳模拟器可以实现32′的真实太阳张角模拟,且辐照度达到一个太阳常量.同时,辐照面小于Φ100mm时,不均匀度优于±1.6%;辐照面在Φ(100~300)mm时,不均匀度优于±3.8%.     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

太阳模拟器用变曲率光学积分器研究与设计

针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。     

多功能太阳模拟器光学系统设计（英文）

设计了一种可同时实现准直式和发散式太阳光模拟的多功能太阳模拟器光学系统.阐述了光学系统中聚光镜的设计与光学积分器的优化技术.采用Zemax软件中序列与非序列功能结合的方式对光学积分器的参数进行优化,并设计了准直物镜.利用LightTools软件对光学系统进行模拟仿真,结果表明:设计的光学系统实现准直式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ300 mm,且辐照不均匀度优于±6.1%;通过改变准直物镜的位置,发散式太阳光模拟功能时,辐照面可达Φ1 500mm,且辐照不均匀度优于±6.7%.     

太阳模拟器辐照均匀性分析

太阳模拟器中最重要的技术指标之一是辐照均匀度,文中论述了太阳模拟器的工作原理,并对太阳模拟器辐照面辐照均匀性进行了深入研究。根据太阳模拟器的工作原理,分析了光学积分器的像差、投影镜离焦量及边缘补偿对太阳模拟器辐照面辐照均匀性的影响,并采用ＺＥＭＡＸ软件仿真分析了准直物镜对辐照面均匀性的影响。结果表明,准直物镜对辐照均匀性影响较小,而影响系统辐照均匀性的主要因素是光学积分器。通过理论分析,计算得出了所设计的太阳模拟器系统辐照不均匀度为27%,结果满足设计要求。      

中型太阳模拟器积分器设计

太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性,具有较高的空间外热流模拟精度。其主要用于航天器的热平衡试验、热涂层特性试验和材料老化试验,可以有效地检验卫星的光辐照性能,验证航天器的热设计。针对大中型太阳模拟器特性,设计一种积分器组件,可承受高温负荷,保证大中型太阳模拟器的均匀性及辐照度性能指标。介绍了太阳模拟器积分器组件原理,通过Lighttools、Flunet对积分器组件进行结构设计、热设计及仿真计算。设计结果表明,中型太阳模拟器辐照面可达到Ф2000mm,辐照度不均匀性可达到±4%。试验结构表明,系统辐照面可达到Ф2000mm,辐照度不均匀性可达到±3.75%,辐照度最高可达到1.39个太阳常数,能够满足大中型太阳模拟器使用。     

太阳模拟器用自由曲面聚光镜设计

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题,设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型,根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论,建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系;依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程,通过龙格-库塔法求解微分方程,计算出离散点数据;拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线,旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线,利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化,从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统,结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升,辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%,辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%;通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。     

一种大口径离轴反射式太阳模拟系统设计

为了完成全谱段成像光谱仪的地面辐射标定,设计了一种大口径离轴反射式太阳模拟系统,用于在实验室环境下模拟空间环境中的太阳辐射。阐述了太阳模拟系统的光学系统参数的计算过程,并运用Lighttools软件完成了光学系统的建模和仿真,根据光学系统的布局和系统的热负荷分布,给出了风冷系统的设计方案,并运用ICEPAK软件完成了散热系统的仿真验证。测试了太阳模拟系统的各项参数,结果表明:在满足系统散热要求的情况下,最大辐照度达到1.17个太阳常数,辐照不均匀度在辐照面200 mm范围内为1.61%,在辐照面400 mm范围内为3.28%。     

瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计

设计了一种应用于瞬时热量标定系统的太阳模拟器光学系统,系统由短弧氙灯、椭球聚光镜和通道反射式积分器组成。介绍了椭球聚光镜的设计准则和限制要求,分析了积分器的工作原理和体均匀性,讨论了辐照面大小要求和安装空间的限制,最后,优化了系统设计并进行了仿真模拟。仿真结果表明,当选用近轴收大倍率为4．5、积分器管长为85mm时,若采用7000w氙灯,即能够获得3％的均匀性和4250食太阳常数的辐账“瞍;若采用5000W氙灯,则可在均匀性不变的情况下获得2980个太阳常数的辐照强度,两者均满足使用要求。     

光学积分器对太阳模拟器辐照均匀性的影响

光学积分器是太阳模拟器实现均匀辐照的关键光学器件,介绍了光学积分器的组成及其工作原理,阐述了方位偏移误差和倾斜偏移误差对辐照均匀性的影响。根据光学积分器的工作原理,利用软件Lighttools将两种光轴一致性误差对辐照均匀性造成的影响进行了仿真分析。结合实验结果表明,倾斜偏移误差相对方位偏移误差对系统辐照均匀性的影响更为严重。分析光轴一致性误差,可为光学积分器微调机构的设计和实际装调太阳模拟器提供理论依据。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题，基于光电一体化二次光学设计，提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源，通过混光棒和微结构进行匀光，最后利用抛物面镜实现光线的准直输出，基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化，实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑,需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法,使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特-卡罗光线追迹方法,设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处,80mm直径的接收靶面上可接收10kW的辐射光能,光斑对称性和均匀性好,系统的传递效率为23.81%,80mm直径靶面内的平均能流密度为2MW/m2,50mm直径靶面内平均能流密度达到3.64MW/m2,对应的理论色温超过2800K。采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。     

大面积准直型太阳模拟器的设计与研制

设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器,其有效辐照面直径达到1 100 mm,平均辐照度达到1.3个太阳常数（AM0）,光束准直角为±1.59°。首先给出了太阳模拟器的光学系统,分别从光源选择和布局,椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述;介绍了太阳模拟器的光机结构;进行了系统的仿真和实现。实验表明,太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m²,辐照不均匀度达到±4.6%,辐照体不均匀度达到±5.96%,辐照不稳定度达到±1.36%,光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求,为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。     

Illumination technique based on integrating sphere with an unequal radius, hyper-uniform luminance and large-field angle

In order to meet the measurement requirements of image sensors’ uniformity of the CCD system with a large-field angle, the design for the form and structure of the integrating sphere, with 600–800 mm and hyper-uniform luminance double hemisphere is presented. LightTools software is used for simulation. The simulation result indicates that the compact structure of the integrating sphere with asymmetric double hemisphere renders both the design values and systematic performance parameters superior to those of the common integrating sphere. The integrating sphere system designed is manufactured and its optical parameters are tested. The test result indicates that at the outlet of the integrating sphere, the variation of illuminance is less than 2.3%, and the variation of luminance on the inner surface is less than 4.4%. Hence, it is concluded that this system can be widely utilized in measuring image sensors’ uniformity of the photoelectric imaging system with a large-field angle.