太陽模擬技術(shù)

高 雁,劉洪波,王 麗

(中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

太陽模擬器是在室內(nèi)模擬不同大氣質(zhì)量條件下太陽光輻照特性的一種試驗(yàn)或定標(biāo)設(shè)備。太陽模擬技術(shù)的發(fā)展與我國空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān),應(yīng)用太陽模擬技術(shù)研制的太陽模擬器已成為我國空間科學(xué)在地面進(jìn)行空間環(huán)境模擬試驗(yàn)研究的重要組成部分。太陽模擬器多用于空間飛行器的環(huán)境模擬試驗(yàn),為航天器提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的光輻照。在航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)中,太陽模擬器是最真實(shí)準(zhǔn)確的熱流模擬手段。應(yīng)用太陽模擬器可以高精度地完成航天器熱平衡試驗(yàn),特別是形狀復(fù)雜、熱耦合關(guān)系復(fù)雜的航天器的熱平衡試驗(yàn),必須用太陽模擬器來完成。

在空間技術(shù)應(yīng)用的其他方面,例如人造衛(wèi)星飛行姿態(tài)控制用太陽角計(jì)的地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定,地球資源衛(wèi)星多光譜掃描儀太陽光譜輻照響應(yīng)的地面定標(biāo),太陽光伏科學(xué)與工程中光電轉(zhuǎn)換器件太陽電池的檢測(cè),遙感技術(shù)中室內(nèi)模擬太陽光譜輻照,生物科學(xué)中研究植物發(fā)育與培育良種等,都廣泛地應(yīng)用太陽模擬器。

2 國內(nèi)外研究狀況

我國從 1965年開始設(shè)計(jì)研制太陽模擬器,先后研制了 K M2太陽模擬器,KFT高精度小型太陽模擬器和 K M4太陽模擬器等太陽模擬設(shè)備,并成功地應(yīng)用于整星和部件的熱真空試驗(yàn)。

美國從 1959年開始研制大型太陽模擬器,初期面臨的主要問題是輻射源的能量低,60年代中后期至 70年代,由于使用了大功率氙燈,這一問題得到了解決。美國波音公司研制的 A-7000大型太陽模擬器采用了同軸準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),使用 37只 30 kW氙燈,得到直徑為 6.1 m的輻照面積,其輻照不均勻度為 ±10%。1966年建成的美國JPLSS15B太陽模擬器,采用了離軸準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),其離軸角為 14°,使用 37只 20 kW的氙燈,準(zhǔn)直鏡為直徑 6 m的整鏡,試驗(yàn)面直徑為4.6 m。由于積分器系統(tǒng)的使用,有效地提高了輻照均勻性,其輻照不均勻度為 ±4%,光譜為修正氙燈光譜。為了滿足星際探測(cè)的需要,1972年該太陽模擬器做了改造,研制了兩個(gè)新的積分器,一個(gè)用來產(chǎn)生直徑 3.4 m的光柱,另一個(gè)用來產(chǎn)生直徑 2.7 m的光柱,并且研制了一塊新的準(zhǔn)直鏡,用來產(chǎn)生直徑 2.7 m的光柱。這一改造使該太陽模擬器在直徑 3.4 m的輻照面上輻照度可以達(dá)到 8個(gè)太陽常數(shù),在直徑 2.7 m的輻照面上輻照度可以達(dá)到12個(gè)太陽常數(shù)。

德國 1983年建成的大型太陽模擬器,采用離軸準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),離軸角為 27°,輻照直徑為3.6 m,輻照不均勻度為 ±4%。該太陽模擬器后來做了兩處改進(jìn),把積分器單元鏡由圓形改為矩形,準(zhǔn)直鏡單元鏡由 61塊六邊形鏡增加到 84塊。此外,擴(kuò)大準(zhǔn)直鏡口徑,增加了輻照面積并改變了輻照面形狀,改造后該設(shè)備通過更換積分器可分別得到 3.6 m的輻照面和 3.05 m×4.5 m的輻照面[1]。

歐空局 1983年在荷蘭建成的大型太陽模擬器,吸取了各國的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),采用了離軸準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),其離軸角為 29°,可選用 19只 20、25或 32 kW的氙燈,輻照直徑為 6.05 m,深為 6 m,輻照面不均勻度為 ±4%,體不均勻度為 ±6%。該太陽模擬器代表了當(dāng)今大型太陽模擬器的先進(jìn)水平[2]。

此外,俄羅斯、印度等國也建成了大型的太陽模擬器用于航天器試驗(yàn)。

3 太陽模擬器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工模擬太陽光輻照特性具有一定的局限性,真實(shí)模擬還具有一定的難度。例如模擬器模擬太陽光束孔徑角和總輻照度就是一對(duì)矛盾,在滿足其中一項(xiàng)的情況下很難滿足另一項(xiàng)。因此,在研制各種不同用途的太陽模擬器時(shí)其性能指標(biāo)都應(yīng)有所側(cè)重。對(duì)高準(zhǔn)直光束太陽模擬器來說應(yīng)側(cè)重精確模擬太陽光束的準(zhǔn)直角(±16′),而對(duì)輻照度指標(biāo)要求不做太多的苛刻要求;反之,應(yīng)用于空間環(huán)境熱真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)的太陽模擬器,其輸出輻照度指標(biāo)必須要達(dá)到一個(gè)太陽常數(shù) (1 367 W/m2),因此,這種類型的太陽模擬器輸出光束的準(zhǔn)直角較之真實(shí)太陽的要大。研制太陽模擬器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)有[3]:

(1)太陽光譜總輻射為 AM0標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜總輻射。AM0是日地平均距離處地球大氣層外的太陽光譜總輻射量。此時(shí)的太陽總輻射量稱之為一個(gè)太陽常數(shù),其定義為在此處垂直于太陽輻射光的單位面積上,單位時(shí)間內(nèi)接收的太陽輻射量,其值為 (136.7±2.1)mW/cm2;

(2)太陽光束準(zhǔn)直角 ±16′;

(3)輻照不均勻度通常分為面輻照不均勻度和空間輻照不均勻度,按下式計(jì)算:式中:ΔE/Esum為輻照不均勻度;Emax為輻照面上(或體積內(nèi))的輻照度最大值;Emin為輻照面上 (或體積內(nèi))的輻照度最小值;

(4)輻照不穩(wěn)定度表征輻照度隨時(shí)間的變化,由下式?jīng)Q定:

式中:(ΔE/Esum)/t為時(shí)間t內(nèi)的輻照不穩(wěn)定度;

(5)光譜失配偏差表征與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的匹配精度,分為 A、B和 C級(jí);

此外,太陽模擬器輸出的有效輻照面積也是設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。

4 太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)

太陽模擬技術(shù)所涉及到的光學(xué)系統(tǒng)是一種復(fù)雜的強(qiáng)光照明系統(tǒng)[4]。與其它光學(xué)系統(tǒng)不同,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,并不是把消除系統(tǒng)的像差,提高成像質(zhì)量作為主要研究對(duì)象,而是把注意力集中在如下幾個(gè)方面:其一是選擇合理的光學(xué)系統(tǒng),優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù),在滿足輻照度要求的前提下,盡可能地提高試驗(yàn)空間的輻照均勻度;其二是優(yōu)化設(shè)計(jì)聚光系統(tǒng),提高對(duì)光源輻射能量的利用率。因此,其光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和結(jié)果的評(píng)價(jià)方法與通常的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比另有特點(diǎn)。在此,本文僅對(duì)聚光系統(tǒng)、光學(xué)積分器、準(zhǔn)直系統(tǒng)和濾光片光譜透過率等設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

圖1是普通折射式準(zhǔn)直型太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng),光路基本工作原理如下:位于橢球鏡第一焦點(diǎn)附近氙燈氙弧發(fā)出的光輻射通量,經(jīng)橢球面聚光鏡匯聚并反射,以給定的包容角投影到橢球聚光鏡第二焦面上,形成一個(gè)較大范圍的輻照分布。這個(gè)較大范圍的輻照分布被位于第二焦面上的由N個(gè)小元素透鏡組成的光學(xué)積分器場(chǎng)鏡陣列對(duì)稱分割成N個(gè)小的輻照范圍,再經(jīng)光學(xué)積分器投影鏡陣列中對(duì)應(yīng)的元素透鏡迭加成像到無窮遠(yuǎn),形成一個(gè)較均勻的輻照范圍。這N個(gè)被成像到無窮遠(yuǎn)的“輻照范圍”再經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)以一定的照明孔徑角 (即準(zhǔn)直角)投影到準(zhǔn)直物鏡的后焦面附近,形成一個(gè)較均勻輻照面。朝準(zhǔn)直透鏡看去,輻照光束來自位于準(zhǔn)直透鏡焦面上的光學(xué)積分器投影鏡組,如同來自“無窮遠(yuǎn)”處的太陽。濾光片使輸出光束的光譜輻照分布與 AM0或 AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照分布在規(guī)定的精度級(jí)別內(nèi)相匹配。

圖1 準(zhǔn)直型太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Optical system diagram of collimating solar simulator

4.1 聚光系統(tǒng)

內(nèi)反射橢球鏡是一種很好的聚光元器件,也是通常太陽模擬器所用聚光系統(tǒng)。它利用兩焦點(diǎn)的成像關(guān)系,將第一焦點(diǎn)上的氙弧以一定的匯聚角和放大倍率投影在第二焦面上。如圖2所示,根據(jù)橢圓的性質(zhì)在子午面內(nèi)橢圓方程式為:

式中:R為橢圓頂點(diǎn)的曲率半徑,e為橢圓離心率,f和f′分別為橢圓的第一 、第二焦點(diǎn)。

圖2 橢圓的成像特性Fig.2 Elliptical imaging characteristics

橢球面聚光鏡表面可化分成許多環(huán)帶,每一環(huán)帶的寬度由給定的Δu限定,聚光鏡各環(huán)帶的成像倍率M u是孔徑角u的函數(shù),如圖2所示。

由拉氏不變量得:

其中n=-n′=1;

系統(tǒng)的放大倍率為:

M u=h′/h=-tanu/tanu′=-PF′/PF,(5)其中PF+PF′=2a,a為橢圓之半長(zhǎng)軸。

根據(jù)橢圓在極坐標(biāo)系中的表示式,將線段PF′、PF表示成如下形式:

式中p=a(1-e2)/e,2a=f+f′=2p/(1-e2)。

整理后得:

上式即為成像倍率M u和孔徑角u的關(guān)系式,當(dāng)u趨于零時(shí) ,近軸倍率M0=f′/f。

內(nèi)反射橢球鏡對(duì)氙弧輻射通量包容角的大小稱為聚光效率,定義為聚光鏡匯聚到第二焦面的輻射通量占氙弧發(fā)出的全部輻射通量的比率Kc。Kc取決于氙弧輻射強(qiáng)度在不同方向上的相對(duì)分布t(u)和聚光鏡匯聚角的范圍,其表達(dá)式為:

聚光鏡第二焦面給定口徑內(nèi)所接收的來自聚光鏡的輻射通量占聚光鏡匯聚到第二焦面輻射通量的比率稱之為該口徑的輻射通量利用率Ki,顯然Ki取決于第二焦面上輻射通量的相對(duì)分布。因此,可以說聚光鏡第二焦面內(nèi)的輻照度分布決定了被照面內(nèi)的平均輻照度和輻照不均勻度,并可作為評(píng)價(jià)聚光鏡光學(xué)設(shè)計(jì)和確定光學(xué)積分器光通道數(shù)目的依據(jù)。理想的在聚光鏡第二焦面內(nèi)的輻照度分布曲線如圖4所示,近似于正態(tài)分布。在反射式橢球面聚光鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)中其成像倍率和氙弧峰值亮度點(diǎn)相對(duì)于第一焦點(diǎn)的離焦量是兩個(gè)重要參數(shù)。

圖3 聚光鏡第二焦面輻照度分布曲線Fig.3 Irradiance distribution curve on the second focal plane of condenser

提高反射式聚光鏡對(duì)光源輻射通量的聚光效率,改善第二焦面上的輻照分布一直是太陽模擬技術(shù)所追求的目標(biāo)。L.F.Polak等人曾將聚光鏡的孔徑角每隔 10°劃分為一個(gè)環(huán)帶,氙弧峰值亮度點(diǎn)經(jīng)這種環(huán)帶投射到參考面內(nèi)給定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)上,瞄準(zhǔn)點(diǎn)在參考面內(nèi)到軸上點(diǎn)的徑向距離確定了該環(huán)帶的面形,每個(gè)環(huán)帶分別選擇 11個(gè)位置不同的瞄準(zhǔn)點(diǎn)。在這種方法中,由于各個(gè)環(huán)帶分別選擇瞄準(zhǔn)點(diǎn),故各環(huán)帶組合后出現(xiàn)環(huán)帶間的不連續(xù)。實(shí)際上對(duì)于給定環(huán)帶,瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置不同的作用相當(dāng)于單一橢球面情況下氙弧峰值亮度點(diǎn)的離焦量不同[5]。

利用對(duì)二次曲線方程進(jìn)行微量的修正方法,可增加反射式聚光鏡的利用率并改善第二焦面上的輻照分布。在選定的橢圓方程式:y2=ax+bx2中加入x的其它冪次項(xiàng),使方程變?yōu)楦叽畏匠?/p>

式中x低次冪系數(shù)大,高次冪系數(shù)小,故在近軸區(qū)域內(nèi)x低次冪項(xiàng)對(duì)聚光鏡面形起主要作用,與原二次曲面偏離很小;隨著x值增加,高次項(xiàng)對(duì)面形影響增大,故在聚光鏡遠(yuǎn)軸區(qū)域內(nèi)x的高次項(xiàng)對(duì)原橢球鏡進(jìn)行了修正。實(shí)踐證明,這種方法保證了聚光鏡整個(gè)面形的連續(xù)性。

另外,一種非共軸深橢球面反光鏡也可改善在第二焦面上的輻照分布。如圖4所示,以F1為中心將橢圓曲線Σ的長(zhǎng)軸相對(duì)光軸x轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δ得到新橢圓曲線Σ′;再繞光軸x旋轉(zhuǎn)Σ′,得到回轉(zhuǎn)曲面即非共軸橢球面。如在非共軸橢球面Σ′的第一焦點(diǎn)F1處放置一發(fā)光點(diǎn),在F2處第二焦點(diǎn)垂直光軸平面上會(huì)形成一個(gè)光環(huán),如圖4所示。光環(huán)半徑為:

圖4 非共軸橢球面反射鏡Fig.4 Non-coaxial ellipsoidalmirror

光源實(shí)際上有一定大小,是由無數(shù)個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成的,所以光源的像即為無數(shù)個(gè)光環(huán)疊加的結(jié)果。如果能合理選取非共軸橢球面成像倍率M0及轉(zhuǎn)角Δ,再考慮到光源相對(duì)于非共軸橢球鏡的微量離焦,將大大提高第二焦面處的輻照度分布均勻性,同時(shí)可提高聚光鏡第二焦面給定口徑內(nèi)輻射通量的利用率Ki。

為計(jì)算簡(jiǎn)單,選取坐標(biāo)原點(diǎn)為橢圓中心 (圖5中O點(diǎn)),轉(zhuǎn)動(dòng)后橢圓曲線方程用x′y′表示,有:

式中a、b分別為橢圓長(zhǎng)和短半軸,a=1/2(l+。坐標(biāo)x′、y′和x、y的關(guān)系式為 :

光軸轉(zhuǎn)角Δ可由式 (10)根據(jù)對(duì)光環(huán)的要求和對(duì)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算確定,按式 (12)可計(jì)算確定非共軸橢球面的參數(shù)及面型,這樣不但提高了光能利用率,同時(shí)也顯著改善了工作面上聚焦光斑上光照度的均勻性。

4.2 光學(xué)積分器

光學(xué)積分器的作用是將氙弧在橢球聚光鏡第二焦面形成的氙弧像對(duì)稱分割,疊加再成像,從而得到一個(gè)均勻輻照面。如圖5所示,場(chǎng)鏡元素透鏡與均勻輻照面共軛,投影鏡元素透鏡與聚光鏡出瞳共軛。圖示為光學(xué)積分器中心光通道的成像關(guān)系,其余光通道也與此相同。

圖5 光學(xué)積分器成像原理圖Fig.5 Imaging principle of optical integrator

光學(xué)積分器各光通道對(duì)系統(tǒng)主光軸是對(duì)稱排列的,共用一個(gè)疊加透鏡,除中心光通道光軸與疊加透鏡光軸同軸外,其余光通道中的疊加透鏡相應(yīng)通光口徑對(duì)所在光通道的光軸已失去對(duì)稱性,這使得光學(xué)積分器的成像失去了嚴(yán)格軸對(duì)稱性。

場(chǎng)鏡元素透鏡位于物面上,它的“彎曲”將影響物面畸變和光闌彗差。增大物面畸變,均勻輻照面上的光線高度向輻照面中心收斂,縮小了均勻輻照面邊緣照度過渡帶的寬度,對(duì)提高均勻度有利。但在增大物面畸變時(shí)會(huì)同時(shí)增大光闌彗差,而場(chǎng)鏡元素透鏡光闌彗差大時(shí)其光闌球差也大。理論上,光學(xué)積分器系統(tǒng)中聚光鏡的出瞳經(jīng)場(chǎng)鏡元素透鏡成像在同一光通道中的投影鏡元素透鏡的口徑內(nèi),但大的光闌軸外球差使得由聚光鏡出瞳邊緣發(fā)出的經(jīng)場(chǎng)鏡元素透鏡口徑邊緣帶的那些成像光束中,有相當(dāng)一部分落入同一光通道的投影鏡元素透鏡的口徑之外,成為有害雜光。這實(shí)際上降低了輻照面邊緣的輻照度,也降低了輻照面的均勻度,同時(shí)減少了均勻輻照面內(nèi)的有效輻照度。

由以上分析可知,從物面成像和聚光鏡出瞳成像兩個(gè)方面考慮,會(huì)得到不同的結(jié)論。在大多數(shù)小型太陽模擬器中,積分器元素透鏡是靠光膠工藝制作的,彼此間無機(jī)械間隔。因此,由于軸外球差大而落入相鄰光通道的光線實(shí)際上落入相鄰光通道中投影鏡元素透鏡口徑的邊緣,最后投射到均勻輻照面的外圍。因此,認(rèn)為場(chǎng)鏡元素透鏡應(yīng)處在光闌球差小的“彎曲”狀態(tài)。

光學(xué)積分器由于光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)的限制本身不能校正像差,因此,如果系統(tǒng)取過大的相對(duì)孔徑時(shí),即使投影鏡處于球差極小值狀態(tài),其球差和軸外球差也很大。此外,由于像差的存在,光學(xué)積分器對(duì)稱光通道內(nèi)光線的成像高度不一致,使均勻輻照面內(nèi)的成像光線離散很大,對(duì)系統(tǒng)的輻照不均勻度相當(dāng)不利?？s短場(chǎng)鏡組和投影鏡組之間的間隔可明顯減小這種離散尺寸,其實(shí)質(zhì)是使投影鏡離焦。

通過以上分析并對(duì)光學(xué)參數(shù)不同的幾個(gè)太陽模擬器系統(tǒng)計(jì)算,結(jié)果如下:

1)輻照面到準(zhǔn)直鏡有一個(gè)最佳距離,當(dāng)處于這個(gè)最佳距離時(shí),對(duì)稱光通道內(nèi)對(duì)應(yīng)光線在輻照面上成像高度相同。

2)投影鏡組離焦可以補(bǔ)償大的軸外球差造成的成像光線離散量。

3)場(chǎng)鏡和投影鏡的最佳距離l0為理論計(jì)算值l縮短Δl。對(duì)于近軸光學(xué)間隔的改變量Δl與投影鏡元素透鏡單獨(dú)對(duì)于無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)成像時(shí)邊緣帶球差LA′m(∞)的定量關(guān)系可由下面的近似公式給出:

4)當(dāng)場(chǎng)鏡和投影鏡間距為l0時(shí),光學(xué)積分器邊緣光通道和中心光通道在輻照面中心處成像光線離散尺寸相等且最大,在輻照面邊緣處成像光線離散尺寸相等且最小。這種從輻照面中心到邊緣光線離散尺寸由大到小的變化對(duì)均勻度是有利的。

利用上述的補(bǔ)償方法,在積分器相對(duì)孔徑較大時(shí)也能獲得較好的均勻度。

4.3 準(zhǔn)直系統(tǒng)

通常根據(jù)準(zhǔn)直系統(tǒng)的類型對(duì)太陽模擬器進(jìn)行分類。準(zhǔn)直系統(tǒng)的類型決定了太陽模擬器的總體結(jié)構(gòu)方案和總體技術(shù)指標(biāo)。因此,根據(jù)使用要求和實(shí)際工況合理地選定準(zhǔn)直系統(tǒng)是總體方案論證中的重要內(nèi)容。

太陽模擬器的準(zhǔn)直系統(tǒng)可分為同軸折射式系統(tǒng)與離軸反射式系統(tǒng)兩類。如圖6所示,在小型太陽模擬器中,由于輻照面積直徑小,一般采用同軸折射式系統(tǒng),其準(zhǔn)直物鏡的形式通常選用雙膠合或雙分離結(jié)構(gòu),這兩種形式的透鏡結(jié)構(gòu)可對(duì)球差、正選差以及色差進(jìn)行校正,改善輸出光束的準(zhǔn)直性和輻照面的體均勻度。在大型太陽模擬器中,一般采用離軸反射式準(zhǔn)直系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意試驗(yàn)體二次或多次反射雜光問題,應(yīng)將輻照面設(shè)計(jì)在準(zhǔn)直鏡法線外側(cè)范圍內(nèi)。由于離軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上失去了對(duì)稱性,積分器形成的均勻輻照面經(jīng)過離軸反射后,輻照度分布失去對(duì)稱性,這是該系統(tǒng)的不足之處。作為適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,可以調(diào)節(jié)氙弧位置,改變場(chǎng)鏡組口徑內(nèi)輻照度分布的中心對(duì)稱性。

圖6 按準(zhǔn)直物鏡形式分類的太陽模擬器Fig.6 Solar simulator sorted by collimating field lens

4.4 濾光片光譜透過率

在光源和光學(xué)系統(tǒng)確定后,太陽模擬器光譜輻照分布特性取決于濾光片的光譜透過率。通過直接測(cè)量得到不具有濾光片的太陽模擬器的光譜輻照分布,或者直接測(cè)量光源的光譜輻射分布并計(jì)入太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光譜“透過”率的影響來推得太陽模擬器的光譜輻照分布。將這一分布與已知的標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照分布相比較,可計(jì)算出濾光片光譜透過率的理論值,即[6]:

這里a和b分別表示不具有濾光片的太陽模擬器在λ1～λ2波段內(nèi)的輻照度和光譜輻照度分布。C表示同一波段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照度,t為該波段內(nèi)濾光片的光譜透過率理論值,K則為太陽模擬器全波段輻照度歸一到標(biāo)準(zhǔn)太陽全波段輻照度的歸一化因子。如果只要求給出濾光片光譜透過率的相對(duì)值,K在公式中可以省略,由已知的C和測(cè)得的a,通過式 (11)可計(jì)算出t。

目前受真空鍍膜手段和工藝水平的限制,實(shí)際鍍制的濾光片的光譜透過率還不能完全符合所要求的光譜,而實(shí)際上只需按給出透過率最低點(diǎn)的波長(zhǎng)位置、半寬度及透過率tλ鍍制濾光片就能滿足要求。一般來說最低透過率在 (0.93±0.05)μm處,t為 0.34±0.03,半寬度為 0.86～1.00μm。

5 結(jié)束語

在高準(zhǔn)直太陽模擬器中,光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光源輻射能量利用率不高的問題非常突出。高效率聚光鏡的研制就是為了解決這一問題。最近的研究表明,用無窮多個(gè)二次曲線橢圓方程替代單一的二次曲線橢圓方程,人為地控制曲線上近軸及遠(yuǎn)軸點(diǎn)的倍率及曲線走向,在給定聚光鏡光線匯聚角情況下,可以形成我們所期望的高效率聚光鏡。但這種聚光鏡的加工工藝難度較大,較通常橢球面加工給出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)量要大許多才能得到滿意的效果,因此,有必要進(jìn)一步研究更合適的設(shè)計(jì)方法。另外,隨著空間載荷體積的不斷增大,也要求太陽模擬器能提供更大的輻照面積,而大輻照面積的太陽模擬器必須采用離軸反射系統(tǒng),即必須采用大尺寸的準(zhǔn)直反射鏡。這些需求給光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了一系列問題。

在離軸準(zhǔn)直太陽模擬器中,準(zhǔn)直反射鏡面型通常為球面和非球面兩種,其中球面反射鏡由于存在球差而影響輻照面各處準(zhǔn)直角的一致性和體均勻性,借助球面鏡離焦和在子午面內(nèi)相對(duì)于焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)可對(duì)此加以補(bǔ)償。對(duì)于具有較大離軸角且選用了球面準(zhǔn)直反射鏡的光學(xué)系統(tǒng),必須要考慮離軸準(zhǔn)直系統(tǒng)情況下的有效輻照面面形橢圓化問題。非球面中的拋物面可作為準(zhǔn)直反射鏡的面形,拋物面反射鏡可消除球差對(duì)準(zhǔn)直光束的影響,故能很好地解決采用球面反射鏡所帶來的離軸準(zhǔn)直系統(tǒng)輻照面面形橢圓化問題。但非球面反射鏡的制作工藝難度很大,不易獲得大尺寸的反射鏡,且制作費(fèi)用很高。通過光學(xué)積分器場(chǎng)鏡組各元素透鏡口徑形狀的反橢圓化可以補(bǔ)償這種輻照面形狀的橢圓畸變,但這需要現(xiàn)代化數(shù)控光學(xué)加工設(shè)備,而且更大尺寸的準(zhǔn)直反射鏡必須采用拼接形式,這給機(jī)械裝調(diào)帶來很大困難。

不難看出,太陽模擬器的設(shè)計(jì)和研制,仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究和探索。

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