利用光學(xué)積分器提高太陽模擬器輻照均勻性的分析

安桂芳 ，張國玉 ，2，蘇拾 ，2，賀曉雷 ，呂文華

(1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點實驗室，長春 130022；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

光學(xué)積分器是太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中的重要光學(xué)部件。本文闡述了光學(xué)積分器的光學(xué)結(jié)構(gòu)及其工作原理，并較詳細(xì)地討論分析了利用光學(xué)積分器提高太陽模擬器輻照均勻性的幾種方法。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

光學(xué)積分器由兩組前后排列的透鏡陣列組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為提高系統(tǒng)輻照面的輻照均勻性、成像清晰度和能量，在光路中放置了兩塊附加鏡，即附加鏡Ⅰ和附加鏡Ⅱ。

場鏡組和投影鏡組分別由通光口徑相同的多個小元素透鏡按中心對稱的方式排列組成。場鏡組的每一個元素分別與投影鏡組的各對應(yīng)元素同光軸，構(gòu)成一個光通道[1]。從結(jié)構(gòu)上來說，光學(xué)積分器是一個并列多光通道系統(tǒng)，各光通道的光軸在光學(xué)積分器的主光軸上有一個共同的交點。

光學(xué)積分器的作用是保證太陽模擬器獲得均勻的照明。光源發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡會聚并反射后，在光學(xué)積分器場鏡組陣列通光口徑內(nèi)入射端形成一個對稱的輻照分布，這個分布經(jīng)光學(xué)積分器場鏡元素分割，投影鏡元素成像，然后由附加鏡Ⅱ再疊加成像，最后把這一照度分布不均勻的輻照面進(jìn)行均勻化，在所要求的位置上形成一個輻照度均勻分布的輻照面。

圖1 光學(xué)積分器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Construction diagram of optical integrator

2 提高太陽模擬器輻照面均勻性的方法

2.1像差對均勻性的影響

光學(xué)積分器場鏡和投影鏡的元素透鏡成像時的某些像差，對輻照均勻性有一定的影響。由像差理論可知，增大像面彎曲、畸變、光闌彗差等像差可提高像面上軸外點的輻照度，從而提高整個輻照面內(nèi)的照度分布均勻性[2]。光學(xué)積分器成像的共軛關(guān)系如圖2所示，圖中只給出光學(xué)積分器中心光通道的成像關(guān)系，其周圍光通道的成像關(guān)系與此相同。

圖2 光學(xué)積分器成像的共軛關(guān)系Fig.2 Conjugate imaging relation of optical integrator

場鏡元素透鏡的"彎曲"將影響物面畸變和光闌彗差，增大物面畸變時，可同時增大光闌彗差。增大場鏡的物面畸變，則均勻輻照面軸外點光線高度向輻照面中心收斂，減小了均勻面邊緣輻照度過渡帶的寬度，所以增大場鏡物面畸變有利于提高輻照均勻度[2]。另外在光學(xué)積分器成像時，由于場鏡組元素透鏡光闌軸外球差的影響，使得經(jīng)場鏡元素透鏡邊緣帶的部分光線落入與其同光通道的投影鏡元素透鏡外面，這樣將減小輻照面邊緣帶的輻照度，從而降低了輻照面均勻性。但實際上光學(xué)積分器是多通道無間隔對稱排列的系統(tǒng)，由于光闌軸外球差大而落到場鏡元素同光通道中投影鏡元素口徑外的光線，其實是落入相鄰光通道中投影鏡元素口徑的邊緣，最后投射到均勻輻照面的邊緣。總之還是對提高系統(tǒng)輻照均勻性有利的。

綜上所述可知，正確確定元素透鏡的"彎曲"狀態(tài)是非常必要的。選擇合適的"彎曲"狀態(tài)，有利于增加光學(xué)積分器所形成的輻照面邊緣帶的輻照度，提高整個輻照面的均勻性。選擇場鏡元素透鏡處于光闌球差小的“彎曲”狀態(tài)為最佳，而投影鏡元素透鏡的“彎曲”應(yīng)處于物面球差極小值或極小值附近的狀態(tài)。

2.2 光通道數(shù)目的選取

光學(xué)積分器重疊像面照度分布均勻性 和聚光鏡在積分器場鏡組前表面的照度分布、積分器的通道數(shù)目k以及光學(xué)積分器的像差有關(guān)。若不考慮像差，依據(jù)高斯光學(xué)，建立光學(xué)積分器重疊像面的理想照度分布關(guān)系式[3]：

由此可計算理想輻照均勻性：

其中，E'是重疊像面上輻照度的平均值。

由此可見，光學(xué)積分器通道數(shù)目的多少直接影響系統(tǒng)的輻照均勻性。從理論上講，光學(xué)積分器通道數(shù)目越多，其輻照均勻性就越好[4]。但實際設(shè)計時，在光學(xué)積分器通光口徑及其形成的輻照面尺寸一定的情況下，光通道數(shù)目越多，小元素透鏡的口徑就越小，這樣元素透鏡的加工誤差及膠合因素會帶來影響，反而對輻照均勻性的提高起到負(fù)面作用。所以，在光學(xué)積分器設(shè)計時必須合理選擇光通道的數(shù)目，使之與場鏡組口徑內(nèi)的照度分布相適應(yīng)，以使設(shè)計更合理。

2.3 邊緣補償對均勻性的影響

太陽模擬器輻照面邊緣的輻照度往往低于中心范圍的輻照度，尤其是場鏡組元素透鏡數(shù)為奇數(shù)時多是這樣。因此可以考慮通過邊緣補償來提高輻照面邊緣帶的輻照度，從而增大輻照面有效均勻范圍，使整個輻照面的照度分布更均勻。

如圖3所示，在光學(xué)積分器通光口徑外面加入了補償元素透鏡，其內(nèi)排列著七個正六邊形元素透鏡，表示七個并列光通道的通光口徑，其周圍排列的六個等腰三角形即為光學(xué)積分器邊緣補償部分，每一個補償部分與積分器的元素透鏡各光學(xué)參數(shù)完全相同，只是外形不同[4]。根據(jù)光學(xué)積分器的成像特性，這六個三角形口徑內(nèi)的光能將被傳遞到均勻輻照面的六個角的相應(yīng)范圍內(nèi)，并彼此有部分重疊。很明顯，補償元素透鏡的作用在于增加均勻輻照面邊緣帶的相對輻照度，從而提高了整個輻照面的輻照均勻性，這種方法稱之為“邊緣補償”法。

2.4 擴大積分器口徑對均勻性的影響

通常情況下，由光學(xué)積分器通光口徑邊緣補償來實現(xiàn)均勻輻照面邊緣帶的輻照度補償，如本文2.3節(jié)所介紹。但在補償元素透鏡的加工和裝調(diào)方面將有一定得難度，尤其當(dāng)光通道數(shù)目越多時，其補償元素透鏡形狀將變得不規(guī)則，加工難度也隨之增大。因此，這里提出一種新的提高輻照面均勻性的方法，即適當(dāng)擴大光學(xué)積分器口徑，如圖4所示。

在太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中，從光學(xué)積分器射出的光線要經(jīng)過視場光闌、準(zhǔn)直物鏡后投射到所要求的輻照面上。當(dāng)光線經(jīng)過視場光闌后會有部分能量損失，而損失光線大部分是光學(xué)積分器邊緣那部分輻照度很低的光線。因此，通過適當(dāng)擴大積分器口徑，其邊緣那部分輻照度很低的光線被視場光闌遮擋在外，僅中間部分均勻性好的光線通過，從而提高了輻照面的均勻度。如圖4中所示例子，通過理論計算，光學(xué)積分器口徑做到D=50mm即能達(dá)到技術(shù)要求，但在設(shè)計中適當(dāng)擴大口徑取D=60mm，以此來提高系統(tǒng)輻照均勻性。這種方法不但沒有給加工環(huán)節(jié)增加難度，反而由于光學(xué)積分器口徑的擴大，使小元素透鏡口徑變大，略微降低了加工難度。

2.5 投影鏡離焦對均勻性的影響

當(dāng)場鏡和投影鏡的間距一定時，光學(xué)積分器的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，在輻照面邊緣成像光線離散尺寸最小且相等，這種輻照面中心到邊緣成像光線的離散尺寸由大變小，有利于提高輻照均勻性[2]。利用這種補償方法，在光學(xué)積分器相對孔徑較大時也能獲得較好的輻照均勻度。因此，投影鏡組陣列最佳離焦，可以提高系統(tǒng)輻照面均勻性。

圖3 邊緣補償后的光學(xué)積分器Fig.3 Edge compensated optical integrator

圖4 擴大口徑后的積分器Fig.4 Integrator of expanded aperture

3 結(jié)論

詳細(xì)討論了光學(xué)積分器對系統(tǒng)輻照面均勻性的影響，重點分析了光學(xué)積分器像差、光通道數(shù)目的選取、邊緣補償、適當(dāng)擴大積分器口徑及投影鏡離焦量對太陽模擬器輻照面均勻性的影響。因此，為保證太陽模擬器的輻照面有足夠好的輻照均勻度，在光學(xué)積分器的優(yōu)化設(shè)計和實際裝調(diào)中，應(yīng)同時考慮到文中介紹的幾點影響因素。

[1]趙吉林，仲躋功，陳興.TM-3000A1太陽模擬器的研究[J].太陽能學(xué)報.1981，2(4):417-424.

[2]張國玉，呂文華，賀曉雷，等.太陽模擬器輻照均勻性分析[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2(1):41-45.

[3]董良軍.太陽模擬器設(shè)計及研究[D].北京:北京理工大學(xué)，1997.

[4]楊志明.太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的研究[D].長春:長春光學(xué)精密機械與物理研究所，1993.

[5]仲躋功.太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的幾個問題[J].太陽能學(xué)報，1983，4(2):187-193.