提高太阳模拟器辐照均匀性的光学系统优化设计.pdf

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1、嫩光与电子学进展51，012204(2014)Laser&0ptOeIectr0nicsProgress~2014(中国激光》杂志社提高太阳模拟器辐照均匀性的光学系统优化设计王国名张国玉。刘石王鹏伟长春理工大学光电工程学院，吉林长春1300222。吉林光电测控仪器工程技术研究中心，吉林长春130022摘要针对提高太阳模拟器辐照均匀性的要求，提出对聚光镜及积分器进行优化设计的方法，在保证较高能量利用率的基础上，实现大幅提高辐照均匀性的目的。通过光学软件LightTools对设计结果进行仿真验证，并与原始设计的太阳

2、模拟器的光学系统均匀性进行比较，证明了所采取优化方法的正确性与可行性。关键词光学设计；太阳模拟器；非共轴椭球镜；光学积分器；优化仿真中图分类号0435文献标识码Adoi：10．3788／LOP51．012204OpticalSystemOptimizationofImprovingSolarSimulatorIrradiationUniformityWangGuomingZhangGuoyu，LiuShi，。WangPengweiInstituteofPhotoelectricEngineeringChangc

3、hunUniversityofScienceandTechnology，Changchun，Jilin130022，China。JilinEngineeringResearchCenterofPhotoelectricMeasurementandControlInstruments，Changchun，Jilin130022，ChinaAbstractTomeettherequirementonsolarsimulatorirradianceuniformity，weputforwardadesignmetho

4、dtooptimizetheintegratorandcondenser．Agreatimprovementinirradiationuniformityisachievedwhilemaintainingahighenergyefficiency．SimulationisperformedbyopticalsoftwareLightToolstotestandverifythecorrectness．Bycomparingcharacteristicsofhomogeneitywiththeoriginalo

5、pticalsystemdesignofthesolarsimulator，thecorrectnessandfeasibilityoftheoptimizationmethodadoptedareproved．Keywordsopticaldesign；solarsimulator；non—coaxialellipsoidalmirror；opticalintegrator；optimizationandsimulationoCIScodes220．4830；220．2740l引言太阳模拟器广泛应用于航天、气

6、象、光伏等领域，是一种重要的环境模拟、仪器标定设备。随着太阳模拟器对辐照均匀性要求的提高，太阳模拟器光学系统优化设计的重要性日益凸显。传统设计中，聚光系统通常采用椭球反射镜，椭球镜经过第一焦点的光线会聚于第二焦点处，因为光源体积的原因，在第二焦点处往往是一个有一定尺寸的光斑，但是光斑能量很高，且辐照度呈类高斯分布，中心与边缘的辐照度梯度很大，这样就给积分器的匀光带来了一定难度，所以需要设计新型聚光镜，降低会聚面上的能量梯度。同时，积分器的设计是否合理对辐照均匀性影响很大，正确的积分器设计方法与优化方法能对积分器

7、的匀光效果起很大作用。本文通过对太阳模拟器关键部分进行创新设计与优化，使太阳模拟器光学系统在能量利用率较高的基础上实现均匀性的大幅提高。收稿日期：2013-08—20；收到修改稿日期：2013-09-28；网络出版日期：2013-12-26基金项目：吉林省科技发展计划(KYC—JC—XM一2011-077)作者简介：王国名(1986一)，男，硕士研究生，主要从事航天器地面标定与检测等方面的研究。E—mail：wgm0919@163．com导师简介：张国玉(1962一)，男，博士，教授，主要从事空间科学与技术、光

8、电仪器与检测技术等方面的研究。E—mail：zhguoyu@yahoo．corn．cn—012204-1澈与电子学进展www．opticsjourna1．net2聚光镜的设计对于聚光系统的优化设计，目的是将第二焦面处中心的能量分散，让整个第二焦面处能量梯度变小。这样有益于增强积分器的叠加补偿作用。所采用的方法是改变聚光镜的母线方程，改变原始的二次非球面形状，使原来类高斯的辐照分布的中心