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 %。     

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.     

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%。     

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%。     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计EI北大核心CSCD

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m^2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。     

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。      

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°。     

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。     

大面积投影式太阳模拟器的光学设计

为模拟大面积空间太阳光辐照环境,提出一种新型投影式太阳模拟系统设计方法。根据光学扩展量理论分析系统的能量传递过程,采用4个短弧氙灯阵列作为光源,设计物方远心投影系统以实现大面积均匀照明。通过Zemax软件模拟仿真及实际系统测量来验证系统设计的合理性。实验结果表明:太阳模拟器的有效辐照面尺寸为1000mm×1000mm,辐照度可达1263W/m~2,且辐照面不均匀度优于±4.82%。该研究可为卫星载荷的空间环境实验提供准确可靠的太阳光辐照,弥补传统大型太阳模拟器体积大、造价高的局限。     

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。     

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。     

AAA级太阳模拟器的设计与研制

完成了一种光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度均能达到A级标准的AAA级太阳模拟器的设计与研制。介绍了太阳模拟器的光源选择和滤光片的设计,给出了太阳模拟器的光机结构,测量了太阳模拟器的各项技术指标。结果表明,太阳模拟器的光谱匹配在波长400～1 100 nm处满足ASTM E927-10中AM1.5G A级要求。在有效辐照面55 mm×55 mm内,其平均辐照度达到1 000 W/m2,辐照不均匀度达到1.35%,辐照不稳定度达到1.27%。测量数据显示设计的太阳模拟器满足ASTM E927-10的AAA级标准。     

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%。     

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。     

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。