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太阳模拟器辐照均匀性的研究 1 太阳模块的主要技术指标 太阳模拟技术是利用人工光源模拟太阳照明设备的技术。广泛应用于卫星热平衡试验、太阳电池检测和测定、植物发育和良种培育、材料耐荫试验、车辆空转试验、军事产品试验等领域。太阳模拟器是模拟太阳光辐照特性的一种试验与测试设备,其主要作用是提供具有一定辐照度和辐照均匀性的光源,本文所研究的太阳模拟器主要用于标定气象探测用的深空仪太阳辐射表。衡量太阳模拟器的主要技术指标有辐照强度、辐照均匀性、准直角、太阳视张角等。 辐照均匀性是太阳模拟器的主要技术指标之一,本文阐述了太阳模拟器的工作原理,并详细分析了太阳模拟器辐照面的辐照均匀性。 2 聚光镜组成 太阳模拟器采用了同轴透射式准直光学系统,如图1所示,其主要由氙灯、椭球面聚光镜、光学积分器(场镜和投影镜)、准直物镜等组成,系统总长为3 773 mm。采用具有轴对称性且接近太阳光谱的氙灯作为光源,位于椭球面聚光镜第一焦点处光源发出的光束会聚后反射通过光学积分器、视场光阑和准直物镜后以平行光射出,形成一个辐照度均匀分布的辐照面。这样朝准直镜前方看去,如同来自“无穷远”处的太阳,从而模拟了太阳光辐照。 3 光学积分器的作用 光学积分器由两组前后排列的透镜阵列组成,其小透镜的相对孔径为1∶4,小透镜焦距f′=22.32 mm。如图2所示,前透镜阵列为积分器场镜,后透镜阵列为积分器投影镜,光学积分器的作用主要有两个:一是将所接收到的椭球面聚光镜的光线交错叠加后,形成的辐射光线投向准直物镜,以保证出射平行光线的均匀性;另一个作用是将椭球镜出瞳面通过积分器镜组成像在准直物镜的焦面上,即准直物镜的视场光阑处,并把氙灯的氙弧经积分器镜组和准直物镜成像在最佳辐照面上。为保证系统均匀照明,常采用光学积分器,既可以得到较高的光能利用效率,又可以达到比较理想的均匀照明效果。 3.1 场镜物面畸变对均匀性的影响 由像差理论可知,增大像面弯曲、畸变、光阑彗差等像差可提高轴外的照度。如图3所示,场镜位于均匀辐照面的共轭面,即物面上;投影镜位于聚光镜出瞳,即光阑上。场镜、投影镜的弯曲影响物面畸变和光阑彗差。增大场镜的物面畸变,则均匀辐照面轴外点光线高度向辐照面中心收敛,减少了均匀面边缘辐照度过渡带的宽度,所以增大场镜物面畸变对提高均匀性有利。但在光学积分器系统中聚光镜的出瞳经场镜成像在该场镜同一光通道中的投影镜的通光口径之内,场镜光阑彗差大时,其光阑球差也大,大的光阑轴外球差使得聚光镜出瞳边缘的成像光线中,有相当一部分落在同一光通道的投影镜通光口径之外,这些光线在无像差影响时本应由场镜同一光通道的投影镜投射到均匀辐照面的边缘,但由于场镜光阑轴外球差的影响,这些光线却落到了相应投影镜口径外而成为有害的杂光。这实际上降低了辐照面边缘的辐照度,也即降低了辐照面的均匀度,同时减少了均匀辐照面内的有效辐射通量。 3.2 辐照面边缘处的均匀度很小 一般情况下积分器的相对孔径不宜过大。有时为使太阳模拟器系统的结构紧凑,要求缩短光学系统轴向尺寸,于是就不得不加大积分器的相对孔径。这样,即使积分器的球差处于极小值状态,其球差与轴外球差也大。此外,由于像差的存在,积分器对称光通道内对应的光线在辐照面内成像高度不一致,这两点原因使均匀辐照面边缘处成像光线离散尺寸很大。因此,缩短场镜组和投影镜组之间的间隔可明显减小这种离散尺寸,改善均匀度;缩短场镜和投影镜的间隔实质上使投影镜离焦。当场镜和投影镜的间距一定时,积分器边缘光通道和中心光通道在辐照面中心处的成像光线离散尺寸相等且最大,在辐照面边缘处的成像光线离散尺寸最小且相等,这种辐照面中心到边缘成像光线的离散尺寸由大变小,显然对均匀度是有利的。利用这种补偿方法,在积分器相对孔径较大时也可获得较好的均匀度。 3.3 光学积分器通光口径的设计以提高辐照面的辐照均匀度为 通常情况下,是由光学积分器通光口径边缘补偿来实现均匀辐照面边缘带区辐照度补偿,但是由于某些原因辐照面边缘的辐照度往往低于中心范围的辐照度,尤其是场镜组透镜数为奇数时多是这样。所以补偿辐照面边缘带辐照度,显然可以提高整个辐照面的辐照均匀度。因此,本文在光学积分器通光口径外面加入了部分元素透镜,其通光口径如图4所示。通光口径里的6个120°等腰三角形部分即是积分器边缘补偿部分,每一个加入部分与原积分器的透镜各光学参数相同,不同的只是外形。通过这些补偿透镜,提高了边缘辐照度,使得整个辐照面辐照度分布更均匀,补偿的范围取决于加入部分的尺寸。 4 辐照面为单一光催化剂的情况 由于准直物镜存在像差,尤其是球差很大,所以设计时应考虑准直物镜对整个光学系统辐照均匀性的影响。这里通过光学设计软件ZEMAX对其进行仿真。 准直物镜的像差已得到一定的校正,在这里把一束分布均匀的光照射准直镜,通过对准直镜出射