太阳模拟器光学系统设计

刘超博，张国玉，2

(1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春130022)

太阳模拟器是太阳敏感器地面模拟试验和性能测试与标定的重要设备，在地面上模拟太阳光辐照特性，用来模拟空间环境，其主要作用是提供与太阳光谱相匹配的、均匀的、准直稳定的且具有一定辐照度的光源，主要用于航天器(飞行器)空间环境模拟试验，近几年在空间技术、太阳能利用以及遥感技术等领域也把它作为太阳光模拟光源，具有广泛的应用价值。

本文论述了太阳模拟器的工作原理，并详细介绍了太阳模拟器的光学系统设计。在实验室内实现太阳目标仿真，给卫星姿态控制系统内的太阳敏感器提供太阳光模拟信号。

1 太阳模拟器的工作原理

如图1所示，太阳模拟器采用了同轴透射式准直光学系统，其主要由氙灯、椭球面聚光镜、光学积分器(场镜和投影镜)、光阑、准直物镜等组成，采用具有轴对称性的短弧氙灯作为模拟器的理想光源。光源发出的辐射通量由聚光镜系统会聚并反射。在光学积分器场镜组阵列通光口径内形成一个所要求的辐照分布，这个分布经光学积分器各元素透镜对称分割，在叠加透镜的焦面上形成一个辐照度均匀分布的辐照面。这个均匀辐照面经准直物镜投影成像在要求的位置上。朝准直物镜看去，辐照光束来自位于准直物镜焦面上的视场光阑处，如同来自“无穷远”处的太阳[1]，从而模拟了太阳光辐照。

图1 太阳模拟器的工作原理图Fig.1 Operating principle of sun simulator

2 太阳模拟器光学系统设计

2.1 聚光镜的设计

太阳模拟器一般采用具有轴对称性的短弧氙灯作为光源，考虑到氙灯的发光特性，并充分会聚氙弧发出的辐射通量，通常采用包容角很大的金属椭球面反射镜作为太阳模拟器的反射式聚光系统，其可获得较高利用率的聚光效果[2]。这种形式的聚光镜，氙弧峰值亮度区位于椭球面聚光镜的前焦面处，被椭球聚光镜无球差的成像于第二焦面平面处，光学积分器场镜组位于这一平面上。椭球面聚光镜外形尺寸由下式计算：

式中：

图2 椭球聚光镜外型尺寸图Fig.2 Ellipsoid condenser optical parameter

式中：

椭球面方程：

聚光镜有效包容角：

2.2 光学积分器的设计

太阳模拟器是一种要求能量利用率、辐照均匀性、辐照强度都较高的复杂照明系统，光学系统不同于一般的照明系统，无法采用被照面和聚光镜的出瞳重合或共扼的照明方法，而需要采用一种组合光学元件——光学积分器实现[3，4]。本文采用的对称式光学积分器由两组前后排列的透镜阵列组成，前透镜阵列为积分器场镜，后透镜阵列为积分器投影镜，光学积分器的作用主要有两个：一是将所接收到的椭球面聚光镜的光线交错叠加后，形成的辐射光线投向准直镜，以保证出射平行光线的均匀性。另一个作用是将椭球镜出瞳面通过积分器镜组成像在准直镜的焦面上，即准直镜的视场光阑处，并把氙灯的氙弧经积分器镜组和准直镜成像在最佳辐照面上。

2.1.1 光学积分器投影镜光学参数的确定

光学积分器投影镜出射端的口径应大于光阑直径，以便使光阑得到充分照明。光阑距积分器愈近，结构愈紧凑。选此距离为1mm，则积分器投影镜出射端的直径应为17.76mm。

积分器投影镜由7个正六边形平凸透镜(每个正六边形透镜的内接圆直径为5.92mm、外接圆直径为6.84mm)和6个与正六边形相匹配的三角形平凸透镜组成，它们组成一个新的外接圆为18.09mm的多边形，如图3所示。选小透镜的相对孔径为1:4，则小透镜焦距2=23.68mm。

图3 光学积分器结构图Fig.3 Construction diagram of optical integrator

将7个正六边形平凸小透镜和6个与正六边形相匹配的三角形平凸小透镜光胶在一外径为22.10mm的平面玻璃板上，组成积分器的出射端透镜，即光学积分器投影镜，它由7个光通道组成。

2.1.2 光学积分器场镜光学参数的确定

光学积分器场镜入射端透镜与投影镜出射端透镜相当。小透镜的口径与出射端透镜口径相同，只是焦距稍有不同，根据技术指标中工作距离的要求，最佳辐照面距准直镜距离应为1450mm。为使积分器入射端(氙灯发光体经聚光镜成像处)成像在辐照面上，按几何成像关系，此面应距积分器出射面为28.36mm。为使聚光镜出瞳成像在视场光阑上，按几何成像公式可计算出积分器场镜入射面小透镜焦距

2.3 准直物镜的设计

2.3.1 准直物镜结构选取

准直物镜类型通常根据均匀辐照面直径的大小选定。本文采用的是同轴透射式准直系统。这种系统中心无遮拦，可以有效的利用光能，减小由于遮拦引起的光能损失，同时辐照度均匀性也很好。由于要求系统结构紧凑，所以光学系统光路应尽量短，因此准直物镜的相对孔径应该选择的大一些。另一方面，准直物镜的像差影响输出光束的中心光线平行度误差和准直角误差。影响中心光线平行度误差的像差是准直物镜对其前焦点的球差和色差，影响准直角误差的像差是准直物镜对其前焦面的各种轴外像差。由于视场较小，只有16'，因此准直物镜的像差可以只考虑球差、正弦差和位置色差。由于单片透镜不能校正球差和色差，又由于准直物镜的口径较大，不能采用双胶合形式，因此采用间隔很小的双分离形式。其优点是可较好地校正球差、色差和正弦差等像差，改善输出光束的准直性和辐照均匀度。

2.3.2 准直物镜光学参数的确定

按辐照面光束口径320mm的要求，为了得到较高的辐照面均匀度，选取准直物镜的通光口径为320mm，以保证辐照面的有效口径为300mm的要求。相对口径取1:4，准直物镜的焦距。所以通过选取一组双分离的初始结构用ZEMAX软件设计，最终的设计结构数据如表1所示，物镜结构如图4所示。

表1 光学结构参数表Tab.1 Optical structure parameters

图4 准直物镜结构图Fig.4 Construction diagram of collimator mirrors

2.3.3 准直物镜系统像差的分析

由于太阳模拟器属于一种照明系统，主要考虑辐照面均匀性，并且其出射光口径较大，所以在对太阳模拟器进行光学设计时，一般不对其进行苛刻的整体光学像差校正，只对其部分像差进行相对性校正，便可达到使用目的。这里只对球差、色差、点列图和系统像差特征曲线进行分析说明，如图5、6、7所示。

图 5中表明该准直物镜在中心视场和全视场时，中心波长 D光的球差几乎为零，而在0.707hm处的球差最大，说明该系统对球差已经基本校正。同时，通过此图可以看出，在0.707hm处的C光和F光相交，即色差为零，表明该系统对色差也基本校正；由此交点到 D光曲线之水平距离为二级光谱，可以看出虽然存在二级光谱，但是该系统是用于照明的系统，所以在这里不过分强调对二级光谱的校正。

图6中表明该系统的整体像差很小，并且在全视场范围内像差校正的比较均衡，有利于辐照面的均匀性设计。

图7中是物镜系统像差特征曲线图，表明该系统彗差几乎为零，其他各种像差也由于视场较小而变得很小，满足照明系统中对像差的校正。

2.4 视场光阑设计

由于视场张角为 32'，所以光阑直径按下式计算：

图5 球差及轴向色差曲线图Fig.5 Curve of spherical aberration and axial chromatic aberration

图6 点列图Fig.6 The system spot diagram

图7 系统像差特征曲线图Fig.7 Characteristic curves of system aberration

3 太阳模拟器准直性误差理论计算

在不考虑光学系统像差时，准直角理论计算一般采用几何光学的知识进行计算。当光阑位于高斯像面时，出射光线为平行光；若光阑有一定的离焦量，即位于高斯像面前后位置处，这时光学系统会产生一定的准直性误差。

根据高斯公式：

式中：

l—物距(光阑到物镜的有效距离)；f—物镜焦距(1280mm)。可计算出准直角：

式中：D—物镜的有效孔径。

由于在实际设计时，考虑到像面的辐射均匀性，所以必须对光阑有一定的离焦量，即实际的物距为 l1为 1279.70mm， l2为 1280.30mm，此时可根据公式(5)、(6)计算出准直角 =±3.78"(有效孔径200mm)， '=±5.67"(有效孔径300mm)，即满足设计准直误差200mm 内≤±5"、200mm以上≤±10"的要求。

4 结论

本文详细阐述了太阳模拟器工作原理和光学系统设计。根据所提出的技术指标，确定了光学系统的具体结构参数。采用椭球面聚光镜、光学积分器和准直镜等光学元件设计的太阳模拟器光学系统，满足设计要求，针对像质分析看出，该系统像差校正良好，且达到了所提出的准直精度要求，证明设计方案正确可行。

[1]李刚，周彦平.卫星仿真测试用太阳模拟器和地球模拟器设计[J].2007，29(5).

[2]黄本诚，庞贺伟.KM6太阳模拟器的研制方案与进展[J].2003，20(1).

[3]郎永志，于培诺，仲跻功.太阳模拟器的光谱辐照度分布[J].光学精密工程，1995，3(3)：25-29.

[4]仲跻功.太阳模拟器光学系统的几个问题[J].太阳能学报，1983，4(2)：187-193.