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°。     

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%。     

运动式太阳模拟器LED阵列光源及其准直光学系统设计

运动式太阳模拟器是编码式太阳敏感器在装星阶段用于现场测试的一种重要设备,为敏感器测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号。论述了运动式太阳模拟器的结构组成与工作原理,着重对其LED阵列光源和准直光学系统进行研究与设计。通过功率计算确定了LED数量,依据Sparrow判据分析了LED间距对辐照均匀性的影响,确定了阵列间距。基于边缘光线原理,建立了圆柱面镜的数学模型,设计了准直光学系统,借助LightTools软件进行仿真。实验结果表明:设计的运动式太阳模拟器在工作距离为50 mm处的辐照范围为10 mm×50 mm,最低辐照度为393 W·m~(-2),在-13°、0°、38°三种光线入射角下的辐照不均匀度均优于±7.3%,出射张角为0.78°,满足编码式太阳敏感器装星后现场测试的要求。     

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%.     

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。      

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 %。     

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.     

太阳模拟技术

概述了国内外太阳模拟技术的发展现状。提出了太阳模拟器设计的技术指标,讨论了太阳模拟器的光学系统设计思想。介绍了聚光系统、光学积分器、准直系统、滤光片光谱透过率的优化设计方案,通过复合高次非球面聚光系统和非共轴深椭球面反射镜的使用,提高了聚光镜对光源辐射通量的聚光效率,改善了第二焦面上的辐照分布。通过对光学积分器原理及像差分析,给出了有效的优化设计经验公式。最后,对研制过程中遇到的问题进行了归纳总结,并提出了改进思路。     

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。     

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为300 mm,焦距为3 000 mm,视场角为30的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%（小于0.01%）,MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6 ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。     

超短脉冲激光瞄准装置光学系统设计

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度,基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统,准直光的不平行度达到3.2,设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜,其成像质量达到衍射极限,基于准直束光学系统和离轴抛物面镜,设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法,以指示光进行实验验证,结果表明:设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。     

真空低温环境反射镜光谱反射率原位测量技术

为了研究真空低温环境下定标光学系统光谱反射率测量技术,搭建了小型离轴抛物面反射镜的光谱反射率原位测量试验系统。系统由太阳模拟器、准直镜、折叠镜、离轴抛物面反射镜、光谱仪、数采系统等组成。分别在常温常压和真空低温环境下进行测量,得到350 nm～950 nm谱段光谱反射率及变化规律,常温常压、真空低温、恢复常温常压下系统测量平均值分别为0.882、0.863和0.883,测量重复性1.1％,不确定度优于2.4％。结果表明,反射镜光谱反射率在真空低温环境下有较明显的下降,环境恢复后,反射率随之恢复。     

基于LED照明与弱光收集的节能车灯双向二次配光设计

为进一步利用太阳能,提出了“双向”利用光线的LED车灯设计新理念。运用光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面,对LED车灯进行“双向”二次配光设计。计算了远光灯矩形复合抛物面反光杯所需的最大出光半角、理论长度,借助tracepro软件,模拟研究了该矩形复合抛物面结构的最高光通量、平均光通量、光通量利用率随长度的变化关系,进一步截取较理论长度综合光学性能更好的反光器应用长度L=130 mm,并在此长度下,模拟了该LED远光灯照度分布情况与弱光收集情况。该类型车灯的LED照明与弱光收集互为补充,双向提高了LED车灯空间重复利用率。在照明方面,该灯能够满足现行标准GB25991-2010的要求,相同照度下,照明范围更大;相同照明范围内,照度更高;在弱光收集方面,是对当前太阳能汽车非聚光模式收集太阳能的补充。     

矩形复合抛物面空间双向照明节能多功能反光杯设计

提出了充分利用灯具空间,具有单体双向多功能的光学设计新理念。结合LED与CPC,根据光学扩展量守恒,借助光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面。根据我国最新的《读写作业台灯性能要求》GB/T 9473-2017,以出光口半宽、台灯辐照高度、截短后杯体长度比为3个因素,设计正交实验,确定台灯矩形复合抛物面最适合参数为:出光口半宽50 mm、最大进光半角47.73°、截取杯体长度36 mm。在照明方面,该矩形复合抛物面能够满足关于A、AA级的照度和照度均匀度要求;在弱光聚集方面,其太阳能芯片位置的照度是不经聚光情况的1.25倍;在聚光模式下,太阳能芯片的光伏转化效率是非聚光模式下的1.66倍。这是对当前市面上非聚光模式收集太阳能方式的补充。     

光学元件残余偏振测量方法与装置

光学镜头的残余偏振是影响偏振遥感探测、偏振军事目标识别和精密光学测量仪器测量准确度的一个关键参数。针对大口径可见光波段光学镜头偏振度准确测量的问题,研制了一台光学镜头残余偏振度测量装置。该装置利用表面镀金属膜的大口径离轴抛物面反射镜作为准直光源,通过控制入射光的入射角、降低入射光源的残余偏振度等技术,在水平、垂直、45°、135°的方向获得了一致性很高的斯托克斯参量。为了验证该装置的性能,对可见光波段口径小于160 mm的光学镜头残余偏振进行了实际测量,测量结果表明,该测量装置的残余偏振度低于0.2%,可满足高精度光学镜头残余偏振的测量需要。     

Collimating Montel mirror as part of a multi‐crystal analyzer system for resonant inelastic X‐ray scattering

Advances in resonant inelastic X‐ray scattering (RIXS) have come in lockstep with improvements in energy resolution. Currently, the best energy resolution at the Ir L₃‐edge stands at ～25 meV, which is achieved using a diced Si(844) spherical crystal analyzer. However, spherical analyzers are limited by their intrinsic reflection width. A novel analyzer system using multiple flat crystals provides a promising way to overcome this limitation. For the present design, an energy resolution at or below 10 meV was selected. Recognizing that the angular acceptance of flat crystals is severely limited, a collimating element is essential to achieve the necessary solid‐angle acceptance. For this purpose, a laterally graded, parabolic, multilayer Montel mirror was designed for use at the Ir L₃‐absorption edge. It provides an acceptance larger than 10 mrad, collimating the reflected X‐ray beam to smaller than 100 µrad, in both vertical and horizontal directions. The performance of this mirror was studied at beamline 27‐ID at the Advanced Photon Source. X‐rays from a diamond (111) monochromator illuminated a scattering source of diameter 5 µm, generating an incident beam on the mirror with a well determined divergence of 40 mrad. A flat Si(111) crystal after the mirror served as the divergence analyzer. From X‐ray measurements, ray‐tracing simulations and optical metrology results, it was established that the Montel mirror satisfied the specifications of angular acceptance and collimation quality necessary for a high‐resolution RIXS multi‐crystal analyzer system.