光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳永祝，蘇拾，張國(guó)玉，張藝雨，王宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

光學(xué)積分器作為太陽(yáng)模擬器核心勻光部件，將聚光鏡收集的高斯輻射分布重新進(jìn)行分割與疊加，工作面上獲得輻照分布均勻一致的輻射光斑，對(duì)提高太陽(yáng)模擬器輸出輻照均勻性具有重要作用［1-3］。

為了提高光學(xué)積分器性能，需要離焦結(jié)構(gòu)獲得最佳均勻輻照［4-5］，同時(shí)要有良好的散熱結(jié)構(gòu)，減少光學(xué)積分器上的熱載荷。2012 年長(zhǎng)春理工大學(xué)段潔等人［6］對(duì)光學(xué)積分器前端的散熱器進(jìn)行了傳熱分析，建立了優(yōu)化函數(shù)，確定了散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。2013 年長(zhǎng)春理工大學(xué)劉石等人［7］設(shè)計(jì)了一種光學(xué)積分器光機(jī)結(jié)構(gòu)，為了提高輻照均勻性，通過修磨墊圈厚度對(duì)投影鏡組進(jìn)行離焦。2018 年顧國(guó)超等人［8］發(fā)明了一種水冷光學(xué)積分器結(jié)構(gòu)，采用水冷回路與外部冷卻系統(tǒng)，有效對(duì)光學(xué)積分器進(jìn)行降溫。2021 年王丹藝等人［9］設(shè)計(jì)了一種中型太陽(yáng)模擬器光學(xué)積分器，積分器鏡筒組件共有3 路水冷通道，光學(xué)元件采用氮?dú)饫鋮s系統(tǒng)降溫，但未設(shè)計(jì)離焦結(jié)構(gòu)。由此可以看出，目前采用修磨隔圈試湊法對(duì)光學(xué)積分器進(jìn)行離焦調(diào)整，裝調(diào)困難、精度低，未達(dá)到最佳輻照均勻性。水冷、液氮冷卻可對(duì)較高熱載荷進(jìn)行散熱，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。中小型太陽(yáng)模擬器多采用風(fēng)冷方式對(duì)光學(xué)積分器散熱，但目前的結(jié)構(gòu)散熱效率較低，熱載荷集中、溫度較高，影響光學(xué)積分器使用性能。

針對(duì)太陽(yáng)模擬器光學(xué)積分器離焦精度低、裝調(diào)困難、結(jié)構(gòu)散熱效率不高等不足，在對(duì)光學(xué)積分器離焦分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)模擬器光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)，可有效提高最佳輻照均勻性，提升光學(xué)積分器使用性能。

1 光學(xué)積分器離焦分析

光學(xué)積分器光學(xué)系統(tǒng)主要由場(chǎng)鏡組、投影鏡組和兩個(gè)附加鏡組成，如圖1 所示。

圖1 光學(xué)積分器光學(xué)系統(tǒng)組成

高斯光束經(jīng)場(chǎng)鏡組的分割和投影鏡組的疊加，對(duì)應(yīng)通道的子光束經(jīng)歷了由微分到積分的過程，在有效輻照面上得到直徑為D的均勻的光強(qiáng)分布，從而實(shí)現(xiàn)均勻照明［10］。

以中心子眼透鏡通道為例，光束在單個(gè)通道中傳播的光路如圖2 所示。

圖2 軸上透鏡光路圖

對(duì)于透鏡1，光線從透鏡1 到匯聚透鏡3 的傳播滿足：

其中，d1為透鏡1 與透鏡2 的間隔大小；f'為透鏡1的后焦距；l1為透鏡2 的前焦距；p、D1為透鏡1、2 的有效通光口徑。

對(duì)于透鏡2，光線從透鏡2 到透鏡3 的傳播滿足：

其中，l'1為透鏡2 的后焦距；d2為透鏡2 與透鏡3的間隔大小；l2為透鏡3 的前焦距；D2為透鏡3 的有效通光口徑。

對(duì)于透鏡3，應(yīng)用相似三角形定理和高斯公式，光線從透鏡3 傳播到透鏡后焦面滿足

其中，l'2為透鏡3 的后焦距；F'為透鏡3 的成像焦平面距離；S為光斑尺寸。

將式（1）和式（2）代入式（3），得到均化光斑尺寸：

其中負(fù)號(hào)表示垂直方向上所呈光斑與入射光束相反。可見光斑S大小與d1大小有關(guān)，當(dāng)d1=f'時(shí)，滿足成像條件，S= -F'·p/f'，此時(shí)透鏡2 處于透鏡1 的焦面Q上，理論上投影鏡組在場(chǎng)鏡組的焦面時(shí)輻照面均勻性達(dá)到最好。若焦面Q上焦斑的夾角小于焦斑的衍射角，則每個(gè)焦斑可視為理想的點(diǎn)光源。由于透鏡邊緣的衍射效應(yīng)，使得透鏡1 焦面上的每個(gè)焦斑都不能視為真正的點(diǎn)光源，這將使輻照面上的輻照強(qiáng)度分布不同于點(diǎn)光源的均勻照明分布，輻照均勻性變差。光學(xué)積分器過大的球差和軸外球差使輻照面內(nèi)成像光線離散很大，又因?yàn)橄到y(tǒng)有像差，光學(xué)積分器同一光學(xué)通道內(nèi)對(duì)稱的光線在輻照面成像的高度也不同。這兩個(gè)因素使得輻照面邊緣帶成像光線離散寬度變得很大，為了減少這種離散尺寸，對(duì)積分器投影鏡組適當(dāng)離焦，以提高系統(tǒng)的輻照均勻性［11-12］。

利用LightTools 軟件對(duì)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由輻照不均勻度計(jì)算公式［13］，分別計(jì)算出投影鏡組在不同離焦位置對(duì)應(yīng)的輻照不均勻度大小，如圖3 所示。

圖3 離焦量與輻照不均勻度關(guān)系

通過仿真分析，投影鏡組位于理論位置（離焦量為0）的輻照不均勻度±0.78%；投影鏡離焦-3 mm 時(shí)輻照不均勻度±0.56%，均勻性達(dá)到最佳。實(shí)際中的光學(xué)積分器存在一定的加工誤差、安裝誤差以及受熱之后熱變形產(chǎn)生的誤差，離焦位置和仿真結(jié)果并不在同一位置，實(shí)際離焦過程要根據(jù)仿真得到的結(jié)果在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，因此需要設(shè)計(jì)連續(xù)的離焦結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)連續(xù)調(diào)節(jié)投影鏡組到最佳離焦位置。根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)節(jié)的離焦范圍選為理論位置沿光軸方向的±5 mm。

2 光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮：（1）投影鏡組能夠連續(xù)離焦，并保證光軸一致性；（2）在風(fēng)冷情況下結(jié)構(gòu)能夠有效散熱；（3）在高溫工況下結(jié)構(gòu)也能夠連續(xù)離焦調(diào)整。設(shè)計(jì)的光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)

2.1 離焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

場(chǎng)鏡筒固定，通過移動(dòng)投影鏡筒對(duì)投影鏡組進(jìn)行離焦，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由離焦手輪、場(chǎng)鏡筒、投影鏡筒、導(dǎo)向銷釘、導(dǎo)向軸承、鎖緊螺母、傳動(dòng)螺紋、限位螺釘、環(huán)形凹槽組成，如圖5 所示。

圖5 光學(xué)積分器離焦結(jié)構(gòu)

離焦手輪內(nèi)螺紋與場(chǎng)鏡筒外螺紋組成螺旋副，螺距P=1.5 mm。投影鏡筒左端設(shè)計(jì)有環(huán)形凹槽，離焦手輪通過三個(gè)互成120°的限位螺釘卡入投影鏡筒的環(huán)形凹槽內(nèi)。場(chǎng)鏡筒外徑與投影鏡筒內(nèi)徑為間隙配合，通過離焦手輪帶動(dòng)投影鏡筒沿軸線移動(dòng)。投影鏡筒上對(duì)稱分布2 個(gè)直線導(dǎo)槽，導(dǎo)向銷釘銷入場(chǎng)鏡筒上的銷孔內(nèi)，為了減小投影鏡筒移動(dòng)時(shí)的摩擦力，使離焦調(diào)整靈活，導(dǎo)向銷釘上過盈安裝導(dǎo)向軸承，導(dǎo)向軸承與直線導(dǎo)槽間隙配合，投影鏡筒沿導(dǎo)向銷釘、導(dǎo)向軸承做直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向軸承選用微型MR63ZZ深溝球軸承。

轉(zhuǎn)動(dòng)離焦手輪，手輪與場(chǎng)鏡筒組成的螺旋副運(yùn)動(dòng)分解為沿光軸方向的移動(dòng)和繞光軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于投影鏡筒與離焦手輪通過環(huán)形凹槽與限位螺釘連接，同時(shí)投影鏡筒受直線導(dǎo)槽的約束，僅具有沿光軸直線位移一個(gè)自由度，約束投影鏡組繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了場(chǎng)鏡組與投影鏡組中各元素透鏡光軸的一致性。由光學(xué)積分器離焦分析所確定的投影鏡組離焦范圍，設(shè)計(jì)直線導(dǎo)槽長(zhǎng)度為±5 mm。

鎖緊螺母厚度為6 mm，螺紋與離焦手輪一致。當(dāng)離焦手輪旋轉(zhuǎn)到最佳離焦位置后，反方向旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母對(duì)離焦手輪鎖緊，保證離焦位置穩(wěn)定。

螺紋副最小微動(dòng)量為：

式中，P為螺距。人手轉(zhuǎn)動(dòng)離焦手輪角度Δ?可控制在0°～5°范圍內(nèi)，可得Smin值為0.02 mm。

2.2 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳熱原理，散熱結(jié)構(gòu)的散熱過程由三部分組成，一是鏡筒內(nèi)熱流到鏡筒內(nèi)壁的對(duì)流放熱，若傳熱系數(shù)為αl0，放熱面積為Al0，則熱阻可表示為；二是鏡筒內(nèi)壁到鏡筒外壁和散熱結(jié)構(gòu)表面的導(dǎo)熱，若鏡筒厚度為δ，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，鏡筒內(nèi)側(cè)和鏡筒外側(cè)的平均傳熱面積為Aav，則導(dǎo)熱熱阻表示為；三是鏡筒外壁和散熱結(jié)構(gòu)表面到空氣中的對(duì)流放熱，若放熱系數(shù)為α0，放熱面積為A0，則熱阻可表示為。散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果除與熱流和空氣環(huán)境溫差有關(guān)外，主要由以上三種熱阻大小決定，即總熱阻為以上三種熱阻之和［14］。

高斯光束通過熱輻射的形式，在積分器鏡筒內(nèi)進(jìn)行熱量傳遞，通過熱對(duì)流進(jìn)行散熱。光學(xué)積分器原有散熱方式為鋁合金材質(zhì)的散熱器與積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，其體積大不便于裝調(diào)，且因?yàn)槎叩牟牧喜煌捎梅煮w式設(shè)計(jì)，存在熱阻大于同種材料下的熱阻，根據(jù)粗糙度理論，散熱結(jié)構(gòu)與積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸面導(dǎo)熱量為：

式中，q為接觸面導(dǎo)熱量；t2A、t2B為接觸面的溫度；hε為接觸系數(shù)；Aε為管體接觸面積；1/hεAε為接觸熱阻［15］。由于散熱器材質(zhì)與光學(xué)積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)材質(zhì)不同，且二者連接處存在間隙，在未接觸的界面之間的間隙中充滿空氣，熱量以熱傳導(dǎo)的方式穿過氣隙層，在連接處形成了接觸熱阻，總熱阻增大。接觸面溫度t2A、t2B較為接近，接觸面之間的導(dǎo)熱量q較小，導(dǎo)致積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)外表面與空氣換熱量減小，從而減小了積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)的有效散熱，在實(shí)際測(cè)試過程中測(cè)得積分器殼體的溫度依然很高［16］。

設(shè)計(jì)的積分器散熱結(jié)構(gòu)如圖6 中所示。為提高積分器的有效散熱，減少熱阻，散熱結(jié)構(gòu)與鏡筒采用一體式設(shè)計(jì)，環(huán)形肋片分布于鏡筒上，太陽(yáng)模擬器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱輻射，其殼體上的2 臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，對(duì)光學(xué)積分器進(jìn)行風(fēng)冷降溫，通過強(qiáng)迫對(duì)流換熱的方式進(jìn)行散熱。

圖6 散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料選為線膨脹系數(shù)和價(jià)格相對(duì)較低的銦鋼，微型軸承的材料為GCr15，材料物理量如表1 所示。

表1 材料物理量

3 光學(xué)積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 光學(xué)積分器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為使積分器投影鏡組在高溫工況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)離焦調(diào)整，對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。光學(xué)積分器散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6 所示。

根據(jù)散熱器的優(yōu)化思想建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，場(chǎng)鏡筒、投影鏡筒散熱結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度H分別為46.5 mm、28 mm，根據(jù)裝調(diào)要求，其質(zhì)量（設(shè)為M(x）)不大于7.5 kg，可表示為：

通過實(shí)際計(jì)算，要求散熱器的最小散熱量（設(shè)為Q(x）)不小于2 400 W，可表示為：

式中，M(x)、Q(x)為目標(biāo)函數(shù)，x= [x1,x2,…,xn]T為n個(gè)優(yōu)化變量組成的向量組。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中包含有8 個(gè)目標(biāo)參數(shù)，即：場(chǎng)鏡筒管體厚度R1、片高L1、片厚T1和片間距W1；投影鏡筒管體厚度R2、片高L2、片厚T2和片間距W2，并提出約束條件：

式中，gj為優(yōu)化參數(shù)約束條件；gaj為約束上下限值。確定8 個(gè)參數(shù)值為優(yōu)化目標(biāo)，并給出以下約束條件：

建立積分器場(chǎng)鏡筒的參數(shù)化模型，利用Ansys Workbench 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊迭代計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行加載、求解，求出最優(yōu)設(shè)計(jì)變量。散熱結(jié)構(gòu)在高溫下的優(yōu)化前后溫度分析結(jié)果如圖7 所示，優(yōu)化后的散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 肋片散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)

3.2 光學(xué)積分器鏡筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

投影鏡組在離焦過程中，必須要保證場(chǎng)鏡與投影鏡每對(duì)元素透鏡組成的光通道之間的光軸一致性，即投影鏡產(chǎn)生垂直于光軸方向的偏移或偏斜誤差，以及繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)誤差要控制在一定精度范圍，否則對(duì)積分器輻照不均勻度帶來(lái)影響。投影鏡筒應(yīng)嚴(yán)格做直線運(yùn)動(dòng)，需要在常溫和高溫兩種工況下都滿足各個(gè)光學(xué)通道的光軸一致性，因此需要對(duì)場(chǎng)鏡與投影鏡筒的配合間隙、直線導(dǎo)槽配合間隙進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化。

積分器鏡筒結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 積分器鏡筒結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)積分器場(chǎng)鏡組與投影鏡組配合孔之間的孔軸配合公差等級(jí)采用H8/f7，其最大間隙配合公差為Xmax= 0.054 -(-0.071) = 0.125 mm，最小間隙配合公差為Xmin= 0 -(-0.036)= 0.036 mm，鏡筒間隙值需同時(shí)在高溫和常溫下滿足0.036 ≤Δδ≤0.125。

鏡筒在高溫下的間隙值決定了投影鏡筒能否靈活移動(dòng)，間隙值的大小和直線導(dǎo)軌熱變形量也影響著光軸一致性。對(duì)積分器鏡筒間隙及直線導(dǎo)軌熱變形進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。要求場(chǎng)鏡筒外徑徑向變形（設(shè)為D1(y) ）最大值小于0.05 mm，投影鏡筒內(nèi)徑徑向變形（設(shè)為D2(y) ）最大值小于0.05 mm。直線導(dǎo)槽寬度變形（設(shè)為D3(y) ）最大值小于0.003 mm，多目標(biāo)優(yōu)化模型可表示為：

式中，Di(y)(i= 1,2,3 )為目標(biāo)函數(shù)，y=[y1,y2,…,yn]T為n個(gè)鏡筒優(yōu)化變量組成的向量組。優(yōu)化的參數(shù)分別為場(chǎng)鏡筒內(nèi)徑、外徑，以及投影鏡筒內(nèi)徑、外徑，分別為2R1、2R2、2R3、2R4，并提出約束條件：

式中，gk為優(yōu)化參數(shù)約束條件，gbk為約束上下限值。確定4 個(gè)參數(shù)值為優(yōu)化目標(biāo)，并給出以下約束條件：

優(yōu)化后的鏡筒參數(shù)如表3 所示。

表3 鏡筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)

鏡筒間隙在常溫下為0.05 mm，在高溫下為0.049 9 mm，在Lighttools 軟件中對(duì)投影鏡組進(jìn)行間隙量偏移仿真，此時(shí)輻照不均勻度為±0.581%，設(shè)計(jì)的鏡筒在高溫工況下膨脹產(chǎn)生的熱變形對(duì)輻照不均勻度影響微小，可忽略不計(jì)，較好地滿足光軸一致性。

3.3 光學(xué)積分器熱分析

溫度是影響光學(xué)積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)及其成像質(zhì)量的重要因素，鏡筒軸向變形會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件離焦［17］。采用熱成像儀對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，建立積分器溫度場(chǎng)模型，匯聚光束經(jīng)過積分器，溫度場(chǎng)分布由中心向邊緣、從右向左依次降低，傳熱方式為靜態(tài)空氣對(duì)流換熱，根據(jù)實(shí)際情況施加對(duì)流邊界條件后，分析的積分器結(jié)構(gòu)總變形云圖結(jié)果如圖9 所示。

圖9 光學(xué)積分器結(jié)構(gòu)總變形云圖

高溫工況下，光學(xué)積分器鏡筒隨溫度變化軸向變形，當(dāng)積分器殼體溫度從常溫20 ℃穩(wěn)定為（100±5）℃時(shí)，鏡筒軸向變形產(chǎn)生的最大離焦量為64 μm，在Lighttools 軟件中對(duì)積分器光學(xué)元件整體進(jìn)行離焦，根據(jù)熱分析得出的不同溫度下的離焦量，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)離焦量下的輻照不均勻度，二者關(guān)系曲線如圖10 所示，可看出高溫下軸向形變對(duì)輻照不均勻度的影響很小，可忽略不計(jì)。

圖10 輻照不均勻度與鏡筒軸向變形關(guān)系曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 積分器離焦與輻照不均勻度測(cè)試

應(yīng)用JJFⅡ-200 型號(hào)多功能氣象輻射計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖11 所示。

圖11 光學(xué)積分器測(cè)試系統(tǒng)

光學(xué)積分器的實(shí)物如圖12 所示。

圖12 光學(xué)積分器實(shí)物圖

點(diǎn)亮短弧氙燈，調(diào)整氙燈電源功率至最高，待輻照穩(wěn)定后，采用FZ-A 型號(hào)太陽(yáng)輻照計(jì)測(cè)試輻照強(qiáng)度，其相對(duì)示值誤差為±5%，在有效輻照面上取Φ100 mm 直徑測(cè)試圓，在圓周取八等分點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)位進(jìn)行輻照強(qiáng)度測(cè)試。調(diào)節(jié)離焦手輪至不同的離焦位置，首先對(duì)-5～+5 mm 范圍內(nèi)以1 mm 為測(cè)量間隔的11 個(gè)位置進(jìn)行連續(xù)離焦測(cè)試，測(cè)得在-2～-4 mm 范圍內(nèi)均勻性較好，再分別以0.2 mm 為測(cè)量間隔對(duì)此離焦范圍內(nèi)的11個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，不同離焦位置的輻照不均勻度如表4 與表5 所示。經(jīng)測(cè)量最佳離焦位置為投影鏡組沿光軸方向離焦-2.6 mm，此時(shí)均勻性達(dá)到最優(yōu)，得到的最佳輻照面如圖13 所示，此時(shí)最大輻照度為1 360 W·m-2，最小輻照度為1 348 W·m-2。

表4 投影鏡組連續(xù)離焦測(cè)試

表5 投影鏡組最佳離焦位置測(cè)試

圖13 太陽(yáng)模擬器輻照均勻性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.2 積分器溫度分布測(cè)量

利用FLIR 公司生產(chǎn)的E30 型熱成像儀對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，其精度為±2%，測(cè)量結(jié)果如圖14所示。

圖14 積分器溫度分布測(cè)量

測(cè)得的太陽(yáng)模擬器溫度分布為4.9 ℃～103 ℃，積分器溫度范圍為39.7 ℃～262 ℃。測(cè)得的積分器外表面最高溫度與仿真值接近，表明設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)論

針對(duì)目前中小型太陽(yáng)模擬器光學(xué)積分器離焦精度低、裝調(diào)困難、散熱效率不高等不足，設(shè)計(jì)了一種高溫工況下能夠連續(xù)離焦和有效散熱的光學(xué)積分器機(jī)械結(jié)構(gòu)。首先分析了投影鏡組離焦對(duì)太陽(yáng)模擬器輻照均勻性影響，確定了投影鏡組離焦范圍，由此設(shè)計(jì)了一種由螺旋傳動(dòng)和直線導(dǎo)槽組成的投影鏡組連續(xù)離焦結(jié)構(gòu)以及基于環(huán)形肋片的散熱結(jié)構(gòu)。利用有限元分析軟件在熱載荷下對(duì)散熱肋片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)場(chǎng)鏡與投影鏡筒配合參數(shù)、直線導(dǎo)槽配合參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，減小了高溫環(huán)境下的鏡筒熱變形帶來(lái)的光軸一致性誤差。對(duì)優(yōu)化后的光學(xué)積分器整體進(jìn)行了熱變形分析，仿真得出鏡筒軸向變形導(dǎo)致的離焦量對(duì)輻照不均勻度產(chǎn)生影響較小，可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，光學(xué)積分器離焦-2.6 mm，Φ100 mm輻照光斑內(nèi)的輻照不均勻度±0.44%，此時(shí)太陽(yáng)模擬器輻照均勻性達(dá)到最佳，測(cè)試結(jié)果表明光學(xué)積分器投影鏡組能夠在高溫工況下連續(xù)離焦調(diào)整，并保持了較好的光軸一致性。最后對(duì)太陽(yáng)模擬器和光學(xué)積分器進(jìn)行了熱成像測(cè)量，得到了溫度分布。光學(xué)積分器離焦與散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于提高太陽(yáng)模擬器裝調(diào)精度和效率，提高其輻照均勻性能具有一定的實(shí)際意義。