[发明专利]高能量高准直角太阳模拟器光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种太阳模拟器光学系统。

背景技术

太阳模拟器是在室内模拟在不同大气质量条件下太阳光辐照特性的一种试验或定标设备。太阳模拟器多用于空间飞行器的地面环境模拟试验，是空间环境模拟设备的主要组成部分，为航天器提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的光辐照。在航天器真空热环境试验中，太阳模拟器是最真实准确的热流模拟手段，应用太阳模拟器可以高精度的完成航天器热平衡试验，特别是对形状复杂、热耦合关系复杂的航天器的热平衡试验，必须用太阳模拟器来完成。在其他方面例如太阳光伏科学与工程中光电转换器件太阳电池的检测，遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照，人造卫星飞行姿态控制用太阳角计的地面模拟试验与标定，地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标等等，都在应用太阳模拟器。然而不同场所的应用对太阳光辐照的要求是不同的，因此对太阳模拟器光学系统的结构要求也是有区别的。

通常情况下，实验室内希望太阳模拟器的光学系统能够完全模拟太阳光辐照特性，即准直角与太阳光一致同时辐照度达到一个太阳常数。但由于光学系统设计参数的相互制约，往往不能同时满足这两项指标。

与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计的太阳模拟器光学系统，如图1、图2、图3所示，包括氙灯光源1、椭球聚光镜2、平面反射镜3、光学积分器组件4、准直物镜5，其中，光学积分器组件4，结合图2，包括光胶板6和元素透镜7，一定数量的六边形元素透镜7按规则排列光胶在光胶板6上构成两组透镜，前组为场镜，后组为投影镜，结合图3，场镜和投影镜同光轴相反安装。具体结构关系是：氙灯光源1位于椭球聚光镜2的第一焦点处，平面反射镜3与椭球聚光镜2的光轴成45度角，光学积分器组件4中的场镜位于椭球聚光镜2的第二焦点处；氙灯光源1发出的光辐射通量，经椭球聚光镜2反射并以设计的包容角汇聚，再通过平面反射镜3改变方向投影到椭球聚光镜2的第二焦面上，形成一个较大范围的辐照分布；这个较大范围的辐照分布经由光学积分器组件4成像到无穷远，形成一个较均匀的辐照范围，再经准直物镜5以一定的准直角，投影到准直物镜5的后焦面附近，形成一个较均匀的辐照面。

该光学系统存在的主要问题是：虽然高准直太阳模拟器的光束准直角与太阳光一致(±16ˊ)，但为了达到与太阳光一致的准直角，高准直太阳模拟器的准直角光阑孔径非常小，使辐射能量在光学积分器前面的损失太大，导致太阳模拟器的辐照度通常只有0.3个太阳常数，最大值为0.5个太阳常数，同时椭球聚光镜和光学积分器处的散热不好。

发明内容

本发明为解决现有太阳模拟光学系统中，辐射能量在光学积分器前面的损失较大，导致太阳模拟器的辐照度通常只有0.3个太阳常数，同时存在椭球聚光镜和光学积分器处的散热性能差等问题，提供一种高能量高准直太阳模拟器光学系统。

高能量高准直太阳模拟器光学系统，包括锥面聚光镜和准直光阑；椭球聚光镜和锥面聚光镜的光轴通过平面反射镜的反射面的中心；锥面聚光镜的光轴与椭球聚光镜的光轴成90度角，在所述锥面聚光镜的光轴上从左到右依次是光学积分器组件、准直光阑和准直物镜；光学积分器组件中的投影镜位于准直物镜的前焦面0.1～0.5mm处；准直光阑位于准直物镜的前焦面处；所述锥面聚光镜的外表面通过加工形成翅形的散热片。

本发明的有益效果：通过本发明在原来的高准直太阳模拟器光学系统中加上锥面聚光镜来收集更多的能量，采用5kW氙灯光源，并对原有系统中的椭球聚光镜进行散热改进，系统可以在辐照面上达到更高的能量，辐照度最高可达到1个太阳常数。本发明巧妙的利用太阳模拟器光学积分器组件前面的锥面聚光镜作为收集器，将在光学积分器组件处损失的能量降到最低。

附图说明

图1是已有技术的高准直太阳模拟器光学系统的结构示意图；

图2是已有技术中的光学积分器的正视结构示意图；

图3是图2的侧视结构示意图；

图4是本发明所述的高能量高准直太阳模拟器光学系统的结构示意图；

图5是图4中的I位置的放大示意图；

图6是图4中椭球聚光镜2的结构示意图。

具体实施方式