太陽模擬器光學系統設計

劉超博，張國玉，2

(1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春130022)

太陽模擬器是太陽敏感器地面模擬試驗和性能測試與標定的重要設備，在地面上模擬太陽光輻照特性，用來模擬空間環境，其主要作用是提供與太陽光譜相匹配的、均勻的、準直穩定的且具有一定輻照度的光源，主要用于航天器(飛行器)空間環境模擬試驗，近幾年在空間技術、太陽能利用以及遙感技術等領域也把它作為太陽光模擬光源，具有廣泛的應用價值。

本文論述了太陽模擬器的工作原理，并詳細介紹了太陽模擬器的光學系統設計。在實驗室內實現太陽目標仿真，給衛星姿態控制系統內的太陽敏感器提供太陽光模擬信號。

1 太陽模擬器的工作原理

如圖1所示，太陽模擬器采用了同軸透射式準直光學系統，其主要由氙燈、橢球面聚光鏡、光學積分器(場鏡和投影鏡)、光闌、準直物鏡等組成，采用具有軸對稱性的短弧氙燈作為模擬器的理想光源。光源發出的輻射通量由聚光鏡系統會聚并反射。在光學積分器場鏡組陣列通光口徑內形成一個所要求的輻照分布，這個分布經光學積分器各元素透鏡對稱分割，在疊加透鏡的焦面上形成一個輻照度均勻分布的輻照面。這個均勻輻照面經準直物鏡投影成像在要求的位置上。朝準直物鏡看去，輻照光束來自位于準直物鏡焦面上的視場光闌處，如同來自“無窮遠”處的太陽[1]，從而模擬了太陽光輻照。

圖1 太陽模擬器的工作原理圖Fig.1 Operating principle of sun simulator

2 太陽模擬器光學系統設計

2.1 聚光鏡的設計

太陽模擬器一般采用具有軸對稱性的短弧氙燈作為光源，考慮到氙燈的發光特性，并充分會聚氙弧發出的輻射通量，通常采用包容角很大的金屬橢球面反射鏡作為太陽模擬器的反射式聚光系統，其可獲得較高利用率的聚光效果[2]。這種形式的聚光鏡，氙弧峰值亮度區位于橢球面聚光鏡的前焦面處，被橢球聚光鏡無球差的成像于第二焦面平面處，光學積分器場鏡組位于這一平面上。橢球面聚光鏡外形尺寸由下式計算：

式中：

圖2 橢球聚光鏡外型尺寸圖Fig.2 Ellipsoid condenser optical parameter

式中：

橢球面方程：

聚光鏡有效包容角：

2.2 光學積分器的設計

太陽模擬器是一種要求能量利用率、輻照均勻性、輻照強度都較高的復雜照明系統，光學系統不同于一般的照明系統，無法采用被照面和聚光鏡的出瞳重合或共扼的照明方法，而需要采用一種組合光學元件——光學積分器實現[3，4]。本文采用的對稱式光學積分器由兩組前后排列的透鏡陣列組成，前透鏡陣列為積分器場鏡，后透鏡陣列為積分器投影鏡，光學積分器的作用主要有兩個：一是將所接收到的橢球面聚光鏡的光線交錯疊加后，形成的輻射光線投向準直鏡，以保證出射平行光線的均勻性。另一個作用是將橢球鏡出瞳面通過積分器鏡組成像在準直鏡的焦面上，即準直鏡的視場光闌處，并把氙燈的氙弧經積分器鏡組和準直鏡成像在最佳輻照面上。

2.1.1 光學積分器投影鏡光學參數的確定

光學積分器投影鏡出射端的口徑應大于光闌直徑，以便使光闌得到充分照明。光闌距積分器愈近，結構愈緊湊。選此距離為1mm，則積分器投影鏡出射端的直徑應為17.76mm。

積分器投影鏡由7個正六邊形平凸透鏡(每個正六邊形透鏡的內接圓直徑為5.92mm、外接圓直徑為6.84mm)和6個與正六邊形相匹配的三角形平凸透鏡組成，它們組成一個新的外接圓為18.09mm的多邊形，如圖3所示。選小透鏡的相對孔徑為1:4，則小透鏡焦距2=23.68mm。

圖3 光學積分器結構圖Fig.3 Construction diagram of optical integrator

將7個正六邊形平凸小透鏡和6個與正六邊形相匹配的三角形平凸小透鏡光膠在一外徑為22.10mm的平面玻璃板上，組成積分器的出射端透鏡，即光學積分器投影鏡，它由7個光通道組成。

2.1.2 光學積分器場鏡光學參數的確定

光學積分器場鏡入射端透鏡與投影鏡出射端透鏡相當。小透鏡的口徑與出射端透鏡口徑相同，只是焦距稍有不同，根據技術指標中工作距離的要求，最佳輻照面距準直鏡距離應為1450mm。為使積分器入射端(氙燈發光體經聚光鏡成像處)成像在輻照面上，按幾何成像關系，此面應距積分器出射面為28.36mm。為使聚光鏡出瞳成像在視場光闌上，按幾何成像公式可計算出積分器場鏡入射面小透鏡焦距

2.3 準直物鏡的設計

2.3.1 準直物鏡結構選取

準直物鏡類型通常根據均勻輻照面直徑的大小選定。本文采用的是同軸透射式準直系統。這種系統中心無遮攔，可以有效的利用光能，減小由于遮攔引起的光能損失，同時輻照度均勻性也很好。由于要求系統結構緊湊，所以光學系統光路應盡量短，因此準直物鏡的相對孔徑應該選擇的大一些。另一方面，準直物鏡的像差影響輸出光束的中心光線平行度誤差和準直角誤差。影響中心光線平行度誤差的像差是準直物鏡對其前焦點的球差和色差，影響準直角誤差的像差是準直物鏡對其前焦面的各種軸外像差。由于視場較小，只有16'，因此準直物鏡的像差可以只考慮球差、正弦差和位置色差。由于單片透鏡不能校正球差和色差，又由于準直物鏡的口徑較大，不能采用雙膠合形式，因此采用間隔很小的雙分離形式。其優點是可較好地校正球差、色差和正弦差等像差，改善輸出光束的準直性和輻照均勻度。

2.3.2 準直物鏡光學參數的確定

按輻照面光束口徑320mm的要求，為了得到較高的輻照面均勻度，選取準直物鏡的通光口徑為320mm，以保證輻照面的有效口徑為300mm的要求。相對口徑取1:4，準直物鏡的焦距。所以通過選取一組雙分離的初始結構用ZEMAX軟件設計，最終的設計結構數據如表1所示，物鏡結構如圖4所示。

表1 光學結構參數表Tab.1 Optical structure parameters

圖4 準直物鏡結構圖Fig.4 Construction diagram of collimator mirrors

2.3.3 準直物鏡系統像差的分析

由于太陽模擬器屬于一種照明系統，主要考慮輻照面均勻性，并且其出射光口徑較大，所以在對太陽模擬器進行光學設計時，一般不對其進行苛刻的整體光學像差校正，只對其部分像差進行相對性校正，便可達到使用目的。這里只對球差、色差、點列圖和系統像差特征曲線進行分析說明，如圖5、6、7所示。

圖 5中表明該準直物鏡在中心視場和全視場時，中心波長 D光的球差幾乎為零，而在0.707hm處的球差最大，說明該系統對球差已經基本校正。同時，通過此圖可以看出，在0.707hm處的C光和F光相交，即色差為零，表明該系統對色差也基本校正；由此交點到 D光曲線之水平距離為二級光譜，可以看出雖然存在二級光譜，但是該系統是用于照明的系統，所以在這里不過分強調對二級光譜的校正。

圖6中表明該系統的整體像差很小，并且在全視場范圍內像差校正的比較均衡，有利于輻照面的均勻性設計。

圖7中是物鏡系統像差特征曲線圖，表明該系統彗差幾乎為零，其他各種像差也由于視場較小而變得很小，滿足照明系統中對像差的校正。

2.4 視場光闌設計

由于視場張角為 32'，所以光闌直徑按下式計算：

圖5 球差及軸向色差曲線圖Fig.5 Curve of spherical aberration and axial chromatic aberration

圖6 點列圖Fig.6 The system spot diagram

圖7 系統像差特征曲線圖Fig.7 Characteristic curves of system aberration

3 太陽模擬器準直性誤差理論計算

在不考慮光學系統像差時，準直角理論計算一般采用幾何光學的知識進行計算。當光闌位于高斯像面時，出射光線為平行光；若光闌有一定的離焦量，即位于高斯像面前后位置處，這時光學系統會產生一定的準直性誤差。

根據高斯公式：

式中：

l—物距(光闌到物鏡的有效距離)；f—物鏡焦距(1280mm)?？捎嬎愠鰷手苯牵?/p>

式中：D—物鏡的有效孔徑。

由于在實際設計時，考慮到像面的輻射均勻性，所以必須對光闌有一定的離焦量，即實際的物距為 l1為 1279.70mm， l2為 1280.30mm，此時可根據公式(5)、(6)計算出準直角 =±3.78"(有效孔徑200mm)， '=±5.67"(有效孔徑300mm)，即滿足設計準直誤差200mm 內≤±5"、200mm以上≤±10"的要求。

4 結論

本文詳細闡述了太陽模擬器工作原理和光學系統設計。根據所提出的技術指標，確定了光學系統的具體結構參數。采用橢球面聚光鏡、光學積分器和準直鏡等光學元件設計的太陽模擬器光學系統，滿足設計要求，針對像質分析看出，該系統像差校正良好，且達到了所提出的準直精度要求，證明設計方案正確可行。

[1]李剛，周彥平.衛星仿真測試用太陽模擬器和地球模擬器設計[J].2007，29(5).

[2]黃本誠，龐賀偉.KM6太陽模擬器的研制方案與進展[J].2003，20(1).

[3]郎永志，于培諾，仲躋功.太陽模擬器的光譜輻照度分布[J].光學精密工程，1995，3(3)：25-29.

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