高能高准直性太阳模拟器设计
高能高准直性太阳模拟器设计
文章编号： 1005??5630(2014)02??0136??06
收稿日期： 2013??11??07
摘要： 设计一种能够同时满足辐照面辐照度达到一个太阳常数和32′张角的太阳模拟器。利用理论计算和光学软件仿真相结合的设计方式,对聚光系统、积分器和准直系统分别进行设计与优化,并提出一种新的氙灯建模方式,最后利用lighttools对整体光学系统进行仿真分析,获得了各部件在光学系统中的最佳位置,使整个光学系统达到较高的能量利用率和辐照均匀性。
关键词： 太阳模拟器; 组合椭球镜; 光学积分器; 准直镜; 仿真
中图分类号： TH 745文献标志码： Adoi：
10.3969/j.issn.1005??5630.2014.02.010
The design of high energy collimated solar simulator
WANG Pengwei1, ZHANG Guoyu1,2, WANG Guoming1,
YANG Siwen1
(1.School of Opto??Electronic Engineering, Changchun
University of Science and Technology, Changchun 130022,
China; 2.Jilin Engineering Research Center of Photoelectric
Measurement and Control Instruments, Changchun 130022,
China)
Abstract： Design a solar simulator which can
simultaneously achieve a full solar constant irradiance and 32′
angle. With the design of theoretical calculations and optical
simulation software, we design and optimize the condenser
system, system integrator and the collimator, and put forward a
new modeling method xenon lamp. And finally, with lighttools
we have a simulation and analysis of the overall optical
systemand obtain the best position of each component in the
optical system from the simulation process, and make the entire
optical system achieve high energy efficiency and uniformity of
irradiation.
Key words： solar simulator; combination condenser lens;
optical integrator; collimating lens; simulation
引言作为一种重要的太阳敏感期地面标定设备,太阳模拟器能够模拟太阳辐照特性和精确的太阳张角。从目前公开的资料看,用于地面标定的太阳模拟器受系统各参数的相互制约,无法同时满足辐照面达到一个太阳常数,太阳张角32′±0.5′的要求,只能根据实际要求牺牲其中的一个指标。本文在传统太阳模拟器设计的基础上,以提高能量利用率为首要任务,提出了一种新型太阳模拟器光学系统设计方案,在保证太阳光谱和辐照均匀性要求的基础上,成功解决了无法同时满足真实太阳张角和真实太阳辐照度的技术难题,达到所需的技术指标。1太阳模拟器的总体设计太阳模拟器的光学系统主要由氙灯、聚光系统、积分器、视场光阑和准直镜组成［1］,如图1所示。
图1太阳模拟器总体设计
Fig.1Overall design of a solar simulator
氙灯主要提供足够的辐照能量,并配合滤光片获得满足要求的太阳光谱。聚光系统主要提高聚光效率,获得较高的能量利用率。积分器作为主要的匀光器件,是光学系统获得高均匀性辐照面的主要部分。视场光阑与准直镜提供满足要求的准直光束。将氙灯置于聚光系统中椭球聚光镜的第一焦点处,聚光系统由椭球聚光镜和球面聚光镜组成,光线经一次或二次反射会聚于椭球镜第二焦面处,即积分器场镜组表面,积分器将会聚光先分割再会聚并经准直镜成像于最佳像面处,视场光阑则位于准直镜的焦面,精确限定出射光的准直角,在最佳辐照面处可模拟获得真实的太阳辐照度和张角。光学仪器第36卷 第2期王鹏伟，等：高能高准直性太阳模拟器设计
2氙灯的设计与建模根据光谱特性和发光效率,选取氙灯作为太阳模拟器的光源。光源辐照能量通过光学系统各部分后,其光学传递效率为［2］τ=τe•τc•τa•τn1r•τt•τl•τn2o(1)其中:τe为氙灯光电转换效率,取值0.45;τc为椭球聚光镜聚光效率,取值0.75;τa为光学积分器孔径利用率,取值0.4;τr为镜面反射率,取值0.85;n1为镜面反射次数,取值2;τt为光学积分器(场镜、投影镜)透过率,取值0.9;τl为光学滤光片的透过率,取值0.6;τo为准直镜的透过率,取值0.9;n2为透过次数,取值4。辐照面内的辐照度为E=P•τ4πD2o(2)则氙灯功率为P=πD2o•E4τ(3)选取欧司朗10 000 W氙灯,经过计算,得到图2的氙灯配光曲线,根据给定的发光特性进行氙灯建模,如图3所示。根据厂家提供的技术指标,10 000
W氙灯的灯弧发光区域宽度2.4 mm,长度10 mm,阴极斑大约为1 mm,占总辐射能量的70％左右。由氙灯的光电转换效率45％知,实际利用氙灯功率为4 500 W,故核心区功率分配3
150 W,非核心区非配能量为1 350 W,实际建模参数如表1所示。图4为氙灯模型图,图5为氙灯模拟配光曲线图,由图5可见,所建氙灯模型的配光曲线与给定的曲线基本一致,并且能量在灯弧中的分布也更加合理。
图2氙灯配光曲线 Fig.2Xenon light distribution curve
图3氙灯建模原理图
Fig.3Xenon modeling schematics
表1氙灯建模参数表
Tab.1Xenon modeling parameter table
区域体积类型体积大小/mm3能量/W能量比例/％核心区球体13 15070非核心区圆柱体45.241 35030
图4氙灯模型图
Fig.4Xenon model diagram图5氙灯模拟配光曲线
Fig.5Light distribution curve simulation
3聚光系统设计传统太阳模拟器采用椭球聚光镜来提高光能利用率,但是限于椭球镜的包容角的限制,只能达到约40％左右,故在新的光学系统中采用新型组合式聚光系统。组合式聚光系统由一个椭球聚光镜和一个球面聚光镜组成,球面聚光镜的圆心位于椭球镜的第一焦点处,如图6和图7所示。由氙灯配光曲线知,氙灯的发光角度基本上位于10°～140°之间,要保证光能的最大利用率则需要聚光系统的包容角也能达到约130°的要求,传统的椭球聚光镜由于加工难度与经济型的制约仅为90°左右,组合式聚光镜的包容角能达到110°～120°,使聚光效率达到80％左右。利用光学软件lighttools,获得在第二焦面处30 mm×30 mm范围的辐照情况,并与椭球镜相比较能量利用率提高了83.07%,比较参数如表2所示。
图6组合聚光镜的原理图
Fig.6Combination condenser schematic
图7组合式聚光系统的仿真
Fig.7Modular condenser system simulation
表2两种结构比较
Tab.2Comparison of two structures
类型辐通量/W光线数量辐照度最大值/(W•mm-2)能量利用率/％组合聚光镜3 484.895922 96811.78477.44椭球镜1 904.057494 3556.67042.30
4积分器的设计与优化
4.1积分器的设计原理积分器是太阳模拟器光学系统中匀光器件的核心。积分器主要由两块附加镜(附加镜Ⅰ、附加镜Ⅱ)和两组复眼透镜阵列组成。如图8所示即为积分器的理想模型成像关系,主要有两个成像关系,其一是光源经附加镜Ⅰ和前组复眼透镜分割成多个像并分别成像于后复眼透镜面上;其二是前复眼透镜组作为视场光阑,其各元素透镜经对应的后复眼透镜和附加镜Ⅱ叠加成像于辐照面上。通过将光源能量分割再叠加以及对称补偿的方式实现辐照面的均匀性［3??4］。
图8积分器设计原理图
Fig.8Integrator design principles
4.2积分器的设计优化积分器的优化主要根据其成像关系中像差的影响以及积分器设计中各位置的关系影响,利用Zemax的序列来优化像差的影响,利用Zemax的非序列功能来仿真优化位置关系的影响。主要优化以下方面:(1)由成像关系可知,后附加镜的球差将会影响叠加像的位置,这会影响对称位置的对称补偿的作用,且会使边缘成像模糊,均匀性下降,所以采用非球面的透镜。(2)由设计的公式知,后附加镜与后复眼透镜阵列的间距会影响光束发散角,即会影响光能利用率,故需通过序列优化来获得最佳间距。(3)复眼透镜最佳间距的优化,又称最佳离焦量的优化,由于像差及孔径的原因,理论计算的两组复眼透镜位置并不是最佳位置,通过非序列的建模仿真,可以得到一个最佳的间距。图9为积分器的非序列模型,图10分别为优化前后的辐照图。
图9积分器的非序列模型 Fig.9Non??series model integrator
图10优化前后的辐照图
Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized
irradiation
5准直镜的设计与仿真一般照明光学系统对像差的要求不严格,但是在精确准直式太阳模拟器中,由于有严格的视场角误差要求,所以须对像差进行相应的优化［5??7］。由于准直系统是小视场系统,对出射准直光束不平行度影响最大的是球差和色差,所以采取正负双分离的透镜组合进行校正。轴外像差对于准直角的影响较大,但是由于准直系统是小视场系统,双透镜组足以得到较好像差,图11为准直镜的优化设计图。
图11准直镜的优化设计
瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计
第缘卷摇第远期圆园员圆年员圆月摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇中国光学摇摇摇摇摇摇摇悦澡蚤灶藻泽藻韵责贼蚤糟泽摇摇摇摇灾燥造援缘摇晕燥援远摇阅藻糟援圆园员圆
摇摇收稿日期院圆园员圆鄄园怨鄄圆缘曰修订日期院圆园员圆鄄员员鄄员愿文章编号摇员远苑源鄄圆怨员缘渊圆园员圆冤园远鄄园远猿园鄄园怨瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计
顾国超鄢袁王摇丽袁刘洪波袁高摇雁袁陈家琦渊中国科学院长春光学精密机械与物理研究所袁吉林长春员猿园园猿猿冤
摘要院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袁系统由短弧氙灯尧椭球聚光镜和通道反射式积分器组成遥介绍了椭球聚光镜的设计准则和限制要求袁分析了积分器的工作原理和体均匀性袁讨论了辐照面大小要求和安装空间的限制袁最后袁优化了系统设计并进行了仿真模拟遥仿真结果表明袁当选用近轴放大倍率为源郾缘尧积分器管长为愿缘皂皂时袁若采用苑园园园宰氙灯袁即能够获得猿豫的均匀性和源圆缘园个太阳常数的辐照强度曰若采用缘园园园宰氙灯袁则可在均匀性不变的情况下获得圆怨愿园个太阳常数的辐照强度袁两者均满足使用要求遥关摇键摇词院太阳模拟器曰氙灯曰瞬态热量标定系统曰光学系统曰高能量密度曰高均匀性中图分类号院栽酝怨圆猿援猿圆猿曰栽匀苑园猿摇摇文献标识码院粤摇摇凿燥蚤院员园援猿苑愿愿辕悦韵援圆园员圆园缘园远援园远猿园韵责贼蚤糟葬造凿藻泽蚤早灶燥枣泽燥造葬则泽蚤皂怎造葬贼燥则怎泽藻凿枣燥则贼则葬灶泽蚤藻灶贼糟葬造燥则蚤皂藻贼藻则糟葬造蚤遭则葬贼蚤燥灶泽赠泽贼藻皂
郧哉郧怎燥鄄糟澡葬燥鄢袁宰粤晕郧蕴蚤袁蕴陨哉匀燥灶早鄄遭燥袁郧粤韵再葬灶袁悦匀耘晕允蚤葬鄄择蚤
渊悦澡葬灶早糟澡怎灶陨灶泽贼蚤贼怎贼藻燥枣韵责贼蚤糟泽袁云蚤灶藻酝藻糟澡葬灶蚤糟泽葬灶凿孕澡赠泽蚤糟泽袁悦澡蚤灶藻泽藻粤糟葬凿藻皂赠燥枣杂糟蚤藻灶糟藻泽袁悦澡葬灶早糟澡怎灶员猿园园猿猿袁悦澡蚤灶葬冤鄢悦燥则则藻泽责燥灶凿蚤灶早葬怎贼澡燥则袁耘鄄皂葬蚤造院早早糟鄄圆园园猿岳员远猿援糟燥皂
一种非共轴椭球面聚光阵列式太阳模拟器
第２６卷第５期 ２０１３年９月 机电产品开发与 新 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２６。Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．，２０１ ３
文章编号：１００２—６６７３（２０１３）０５—００１—０３
一种非共轴椭球面聚光阵列式太阳模拟器
牛文达．杨帆
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００００）
摘要：经过理论分析，设计了一种非共轴椭球面聚光阵列式太阳模拟器。为了验证该模拟器的可行性， 进行了光学性能检测试验，试验结果表明成像光斑质量较好，系统传递效率较高，从而为太阳模
拟器的研发与创新提供技术支持。
关键词：椭球面；聚光镜；太阳模拟器
中图分类号：ＴＨ７ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６６７３．２０１３．０５．００１
Ａ Ｓｏｌａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ Ａｒｒａｙ ｏｆ Ｎｏｎ－ｃｏａｘｉａｌ Ｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ
ＮＩＵ Ｗｅｎ—Ｄａ．ＹＡＮＧ Ｆａｎ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｒｒａｙ ｏｆ ｎｏｎ—ｃｏａｘｉａｌ ｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ，ｗｅ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｓｐｏｔ ｉｓ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｆｒｏｍ ｓｏｕｒｃｅ ｔｏ ｔａｒｇｅｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ，ＳＯ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｎ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅＨｉｐｓｏｉｄａｌ；ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ｓｕｎ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计 2
瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计
顾国超;王丽;刘洪波;高雁;陈家琦
【摘 要】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。%The
optical system of a solar simulator used for a transient calorimeter
calibration system is de- signed, which comprises a Xe are, an ellipsoidal
specular reflector and a channel optical integrator. The de- sign criteria
and limitations of the ellipsoidal specular reflector are introduced, and the
work principle and spa- tial uniformity of the integrator are also analyzed.
Then, based on the sizes of receiving surface and installation space, the
system design is optimized and simulated. The simulation results show
大型太阳模拟器准直镜装调及辐照特性测试
收稿日期：2018-12-04；修订日期：2018-12-18作者简介：孙永雪(1988-)，女，工程师，硕士，主要从事太阳模拟器技术和空间遥感载荷光学系统设计方面的研究。Email:983042171@
0417006-1第48卷第4期红外与激光工程2019年4月Vol.48No.4InfraredandLaserEngineeringApr.2019
大型太阳模拟器准直镜装调及辐照特性测试
孙永雪，夏振涛，韩海波，陈丽，刘瑞芳，陈刚义，王珂
(上海卫星装备研究所，上海200240)
摘要：由于太阳模拟器可以精确模拟太阳光，近年来，越来越多空间环境模拟试验采用太阳模拟器
来模拟在轨高温环境。介绍了一个有效光束直径2m的大型太阳模拟器，其准直镜由19块正六边形
的球面单元镜拼接而成；分析了球面反射镜光学装调常用方法，以球心自校准法为基础，提出一种
拼接式反射镜的装调方案；详述了该拼接式准直镜的装调过程，拼接后有效口径2710mm，半径
13280mm；此外，还介绍了大气环境下、真空低温环境下和真空热试验过程中大型太阳模拟器主要辐
照特性检测方法及装置，为太阳模拟器在工程中的更好应用提供参考。
关键词：太阳模拟器；拼接准直镜；光学装调；辐照特性测试
中图分类号：V524.2文献标志码：ADOI：10.3788/IRLA201948.0417006
Alignmentofcollimatorandtestofradiationcharacteristics
forlargesolarsimulator
SunYongxue,XiaZhentao,HanHaibo,ChenLi,LiuRuifang,ChenGangyi,WangKe
(ShanghaiInstituteofSpacecraftEquipment,Shanghai200240,China)
Abstract:Inrecentyears,becausesolarsimulatorcanaccuratelysimulatethesunlight,agrowingnumber
基于自由曲面的聚焦型太阳模拟器设计
文章编号 2097-1842（2023）06-1356-09
基于自由曲面的聚焦型太阳模拟器设计
魏秀东1 *，李柏霖1，赵宇航1，汤建方2，张 继2，黄勇焕2，许英朝3
（1. 长春理工大学 空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022；
2. 中广核太阳能开发有限公司, 北京 100000；
3. 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 厦门 361024）
摘要：聚焦型太阳模拟器可以获得高倍汇聚的太阳辐射光斑，在太阳能热发电及热化学研究领域具有重要应用。为了获
得均匀的太阳辐射光斑，提出了基于非成像光学的自由曲面聚光镜设计方法。详细阐述了设计原理与具体方法。设计
了自由曲面聚光镜，并将其与包容角相同的非共轴椭球聚光镜进行对比。通过仿真分析验证了设计方法的正确性。仿
真结果表明：使用额定功率为6 kW的氙灯作为光源时，自由曲面聚光镜构成的单灯太阳模拟器可以在直径为60 mm的
目标面内提供平均辐照度为274.4 kW/m2的光斑，与非共轴椭球太阳模拟器相比，光斑不均匀度从18.28%下降到
5.69%；七灯太阳模拟器可以产生平均辐照度为1.65 MW/m2的光斑，光斑不均匀度从13.19%下降到5.79%。关 键 词：太阳模拟器；自由曲面；光学设计；光斑均匀度；能流分布中图分类号：O439 文献标志码：A doi：10.37188/CO.2022-0207
Design of focusing solar simulator based on free-form surface
WEI Xiu-dong1 *，LI Bai-lin1，ZHAO Yu-hang1，TANG Jian-fang2，ZHANG Ji2，
HUANG Yong-huan2，XU Ying-chao3
（1. Institute of Space Optoelectronics Technology, Changchun University of Science and Technology,
小型太阳模拟器光学系统的设计及仿真
小型太阳模拟器光学系统的设计及仿真
薛召凯;张国玉;付明;苏拾
【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(000)004
【摘 要】针对目前国内外设计的太阳模拟器外形过于庞大不易携带等问题，本文设计了一种小型太阳模拟器。首先通过触发器提供一个高电压来使氙灯气体电离进入等离子态，从而将位于抛物面反光镜焦点处光源（短弧球形氙灯）点亮并通过抛物面反光镜会聚出射平行光束，通过氙灯光源调焦机构来使光源离焦，最终，在辐照面形成一个辐照度均匀分布的照射。通过对比，本文设计的太阳模拟器更加便携，能为室外等复杂地貌进行试验带来更多便利。结果表明，在工作距离300mm处，其辐照强度调节范围为546~1050.8W∕m2，辐照不均匀度为±12.5%，满足辐照强度在0.6~0.9kW/m2之间、辐照不均匀度≤±20%的设计要求。%For the
design of a solar simulator at home and abroad too big appearance
difficult to carry, and other is-sues, we design a small solar simulator. First
through triggers provides a high voltage xenon lamp ionizes the gas into a
plasma state, which will be located in a parabolic mirror at the focal point
light source (short arc spherical xenon lamp) is lit by a parabolic mirror
converging exit parallel beam by xenon light source focusing mechanism
太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析
太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析
李光云;张国玉;付明;王鹏伟;豆宝峰;宋文武
【摘 要】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200mm×200mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72％.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2014(035)001
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】太阳模拟器;正方形光学积分器;积分器设计;仿真分析
【作 者】李光云;张国玉;付明;王鹏伟;豆宝峰;宋文武
【作者单位】长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;白城兵器试验中心,吉林白城137001;国营第5308厂,江苏扬州225009
【正文语种】中 文
【中图分类】TN202;V524.2
引言
太阳模拟器是一种在实验室中模拟太阳光辐照特性的试验与测试设备，可以在地面提供与真实太阳相似的光谱分布和稳定均匀且连续可控的辐照强度。可在空间技术、遥感技术、气象监测、生物育种和太阳能产业等领域应用。太阳模拟器主要是由氙灯、椭球面聚光镜、光学积分器（场镜和投影镜）、准直物镜等组成。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的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，形成一个辐照均匀分布的辐照面，从而模拟了来自“无穷远”处的太阳［1-2］。
一种大口径离轴反射式太阳模拟系统设计
一种大口径离轴反射式太阳模拟系统设计
李新华;杨忠明;高志山;袁群;王新星;窦健泰
【摘 要】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φ200 mm范围内为±1.61％,在辐照面φ400 mm范围内为±3.28％.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2015(036)005
【总页数】8页(P709-716)
【关键词】光学设计;太阳模拟系统;辐照度;不均匀度
【作 者】李新华;杨忠明;高志山;袁群;王新星;窦健泰
【作者单位】金陵科技学院视光工程系,江苏南京211169;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;江苏北方湖光光电有限公司,江苏无锡214035;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094
【正文语种】中 文 【中图分类】TN202;TH744.3
引言
太阳模拟系统是一种可控的模拟太阳光辐射的测试设备，为光敏材料或设备提供室内太阳辐射测试环境［1］。太阳模拟系统一般主要包含3个部分：1）光源，用以提供近似太阳辐照的光谱分布以及辐照强度；2）光学系统，保证光的均匀准直输出；3）机械支撑及冷却系统，保证系统能够稳定运行［2］。
近几十年，国内外在空间技术和太阳能应用技术上取得了很大进展，同时也推动了太阳模拟技术的进步，使太阳模拟系统在众多领域都发挥了巨大的作用。在航天器的研制过程中，太阳模拟系统在地面上模拟出真空环境下的太阳光辐射，为航天器的相关性能测试提供空间试验环境［3］；在光伏工程领域，利用太阳模拟系统模拟地面太阳光辐照，对光伏组件的性能进行检测，对其技术参数进行标定［4］；在太阳能光热领域中，太阳模拟系统用于太阳能集热器的性能测试和太阳能热水器的检测［5］。对于不同技术领域所使用的太阳模拟系统，所要求的输出光的辐照特点也不尽相同，因此，要根据太阳模拟系统的具体应用要求来设计系统结构。
球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计
第39卷第1期 2018年1月应用光学 Journal of Applied Optic;Vol. 39 No. 1 Jan. 2018
文章编号！002-2082(2018)01-0117-07
球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计
王基强\苏拾12，张健12，徐达12，张国玉12(1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022#2.吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林长春130022)
:针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低，均勾性差等不足，基于L ED
太阳模拟器光学系统，提出了 一种球面阵列L E D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 mmX100mm范围内，其辐照强度大于1 100 W/m2，辐照不均匀度
优于3. 86%。
:LED太阳模拟器；光学系统设计；辐照强度；不均匀性
中图分类号：〇432;TH703 文献标志码：A doi：10. 5768/JAO201839. 0105002
Designof optical systemof spherical array led solar simulator
Wang Jiqiang1 , Su Shi1'2 , Zhang Jian1'2 ,Xu Da1'2 , Zhang Guoyu1'2 (1. School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022 ,China；2. Jilin Province EO Measurement and Control Instrumentation Engineering Technology Research Center,Changchun 130022,China)
气象辐射标定系统中太阳模拟器的设计
第４２卷第５期 ＶＯ１．４２ ＮＯ．５ 红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年５月 Ｍａｖ ２０１３
气象辐射标定系统中太阳模拟器的设计
刘石 ，张国玉１，２，孙高飞 ，苏拾１，２，王凌云１，２，高玉军。
（１．长春理工大学光电工程学院，吉林长春１３００２２；
２．吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林长春１３００２２；
３．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００２２）
摘 要：为了解决对太阳辐射测量仪器的检测问题，提出一种高精度的气象辐射标定系统。重点阐述
了系统中太阳模拟器聚光系统、光学积分器的优化技术；详细论述了影响太阳模拟器均匀度的积分器
像差以及积分器投影镜组的离焦效果，并提出最佳离焦量的经验公式，设计了准直光学系统，并用
ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件对系统进行仿真；最后，对系统中的太阳模拟器进行测试。测试数据表明：该太阳模拟
器可模拟一个太阳常数，辐照面范围为ｑｂ２００ ｒｎｌ／ｌ，辐照不均匀度在ｑ）６０ ｌｎｌＴｌ范围内小于±１％，在
（ ０一￣２００）ｍｍ范围内小于２％，不稳定度优于±ｌ％／ｈ，满足气象辐射标定系统的要求。 关键词：太阳模拟器； 光学积分器； 光学设计； 不均匀性
中图分类号：ＴＮ２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０１３）０５—１３４５—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
Ｌｉｕ Ｓｈｉ ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｙｕ ，Ｓｕｎ Ｇａｏｆｅｉ ，Ｓｕ Ｓｈｉ 一，Ｗａｎｇ Ｌｉｎｇｙｕｎ ，Ｇａｏ Ｙｕｊｕｎ３
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉｌｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅａｓ￣ｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２．Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）