大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计.pdf

长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.46No.2Apr.2023第46卷第2期2023年4月赵东旭，等：大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计收稿日期：2021-12-11基金项目：吉林省科技发展计划项目（20200602055ZP）作者简介：赵东旭（1996-），男，硕士研究生，E-mail：通讯作者：刘石（1986-），男，博士，副研究员，博士生导师，E-mail：大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计赵东旭1，2，刘石1，2，张宇1，2，杨松洲1，2，张燃3（1.长春理工大学光电工程学院，长春130022；2.吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，长春130022；3.中国人民解放军陆军装甲兵学院士官学校兵器运用系，长春130000）摘要：为了实现对大辐照面、高辐照均匀度太阳光斑的模拟，设计了一种大口径反射式准直太阳模拟器光学系统。根据太阳模拟系统的工作原理，以扩大辐照面、提高辐照均匀度的同时保证较高的辐照度为目标，提出了由复合光源、光学积分器、消串扰光阑、视场光阑和离轴反射准直镜等组成的光学系统总体设计方案，建立了太阳模拟器光学系统的光线传播矩阵模型，分析了入射光角度与子透镜间缝隙对辐照面的影响规律，并据此设计了具有消串扰光阑的光学积分器，消除了大角度杂散光，抑制了准直镜离轴角对辐照均匀度的影响。仿真结果表明：在500 mm 的辐照面内，辐照度优于一个太阳常数，达到 1 579 W/m2，辐照均匀度优于 98.07%，满足了大辐照面、高辐照均匀度太阳模拟器的设计要求。关键词：太阳模拟器；光学系统；光学积分器；消串扰光阑中图分类号：TH744文献标志码：A文章编号：1672-9870（2023）02-0018-07Design of High Uniformity Reflective SolarSimulation System with Large Irradiation SurfaceZHAO Dongxu1，2，LIU Shi1，2，ZHANG Yu1，2，YANG Songzhou1，2，ZHANG Ran3（1.School of Opto-Electronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Jilin Province Engineering Research Center of Optical Measurement and Control Instrumentation，Changchun 130022；3.Department of Weapon Application，Sergeant School，Army Armored Corps College，Changchun 130000）Abstract：In order to simulate the solar spot with large radiation surface and high irradiation uniformity，an optical system oflarge aperture reflective collimating solar simulator is designed.According to the working principle of the solar simulationsystem，aiming at expanding the irradiation surface，improving the irradiation uniformity and ensuring high irradiance，theoverall design scheme of the optical system composed of composite light source，optical integrator，crosstalk elimination ap-erture，field aperture and off-axis reflection collimator is proposed，and the light propagation matrix model of the opticalsystem of the solar simulator is established，The influence of the incident light angle and the gap between the sub lenses onthe irradiation surface is analyzed，and an optical integrator with an anti crosstalk aperture is designed to eliminate the largeangle stray light and suppress the influence of the off-axis angle of the collimator on the irradiation uniformity.The simula-tion results show that in the500 mm irradiation surface，the irradiance is better than one solar constant，reaching 1 579W/m2，and the irradiation uniformity is better than 98.07%，which meets the design requirements of large irradiation surfaceand high irradiation uniformity solar simulator.Key words：solar simulator；optical system；optical integrator；anti-crosstalk aperture太阳模拟器作为在实验室内模拟太阳辐射的光学仪器，可模拟太阳辐照特性和几何特性，并用于太阳敏感器地面标定、光伏产业和特殊材料性质测试等1。辐照均匀度是太阳模拟器的关键指标，直接决定了太阳模拟器的精度。美国 Newport 公司生产的最新 OrielSol3A 太阳模拟 器，其 型 号 为 94123A-CPV，辐 照 面 尺 寸 为304.8304.8 mm2，辐照度可达一个太阳常数，辐照不均匀度为 2%2，该模拟器能满足在保证一个太阳常数的辐照度的同时辐照均匀度也较好，但由于其采用的是单灯透射式光学系统，其辐照面较小，难以满足大幅照面的使用环境。日本的 SAN-EI 公司研制的 XES-300S1AAA 级太阳光模拟器，在 300300 mm2面积上，辐照不均匀度优于 2%，辐照度可达一个太阳常数，此太阳模拟器同样受单灯功率有限和透射式准直镜尺寸的问题，光斑口径较小。2015 年王新星2研究的400 mm 口径的太阳模拟器，辐照度可达一个太阳常数，辐照不均匀度为 3.28%。该太阳模拟器采用多灯反射式光学系统，可模拟出大口径的太阳光斑，但受传统光学积分器的匀光能力限制，其辐照均匀度较低。2018 年张骏3设计的向心型动态准直太阳模拟器，辐照面口径为500 mm，辐照度可达 0.7 个太阳常数，辐照不均匀度为 5%，此太阳模拟器采用的是单灯反射式光学系统，其辐照度较低，低于一个太阳常数，其辐照均匀度也较低。2020 年李昊洋4研制的全天候太阳模拟器，辐照度可达 120 W/m2，在辐照面口径200 mm 内辐照不均匀度为3.3%，光学系统采用单灯透射式光学系统，其辐照度较低，辐照面光斑口径较小。目前的太阳模拟器利用椭球镜将氙灯灯弧发出的光反射汇聚于椭球镜的第二焦点处。由于单灯模拟器功率有限，在增大辐照面的同时难以保证辐照度的大小。本文采用多个灯组环状拼接成高功率复合光源，实现大幅照面高辐照度的要求。为了增强大辐照面太阳模拟器在不同领域的适用性，需提高其辐照均匀度，影响辐照均匀度的因素包括光源与聚光系统共同作用后导致的光斑能量高斯分布、大角度入射光形成的边缘杂散光、离轴反射镜的离轴角等5-6。本文以抑制通过光学积分器的阵列透镜中各子透镜间缝隙及大角度入射光形成的边缘杂散光为目标，建立系统光线传播矩阵模型，分析各类杂散光对辐照特性的影响，并设计消串扰光阑，解决离轴反射镜的离轴角造成的辐照均匀度下降问题，进而提高太阳模拟器的辐照均匀度。1太阳模拟器光学系统的组成与工作原理为了扩大辐照面、提高辐照均匀度，同时保证较高的辐照度，提出由多灯作为光源、离轴反射镜作为准直镜的大口径反射式太阳模拟器光学系统，工作原理图如图 1 所示。图 1工作原理图选用三只短弧氙灯组成复合光源，为系统提供稳定的宽光谱辐射，并依次由聚光系统、光学积分器和离轴反射准直镜对复合光源发出的光束进行汇聚、均匀和准直，最终在辐照面处实现来自“无穷远”的太阳辐射模拟7-9，太阳模拟器整体光路图如图 2 所示。图 2太阳模拟器整体光路图赵东旭，等：大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计第2期19长春理工大学学报（自然科学版）2023年2光学积分器的优化设计2.1光学积分器的组成及工作原理现有的光学积分器主要包括场镜组和投影镜组，接收经聚光系统作用后的特定角度入射的光源像，并利用场镜透镜阵列对光束进行分割，再通过投影镜透镜阵列完成光束叠加10，如图 3 所示。图 3光学积分器成像原理图本系统设计了由三只短弧氙灯组成的复合光源以增加太阳辐照度，同时为了增大太阳辐照面，选用了离轴反射镜作为准直系统，改变了入射光束的特定角度和能量分布，但加剧了各子透镜通道间的光线串扰11，进而影响了光学积分器的匀光效果。2.2串扰光线的产生及其影响分析理想情况下，入射光线以特定角度入射到场镜阵列透镜，并被分割投射至对应的投影镜透镜阵列，但由于本系统使用了离轴反射准直镜，辐照面失去对称性，需要偏转复合光源来进行补偿，导致入射光线不再遵循特定角度入射，破坏了阵列的一一对应关系，相邻子透镜通道之间出现了光线串扰12-13，并导致准直系统的入射关系被破坏，从而影响了匀光效果，如图 4 所示。图 4光线串扰作用下的辐照分布原理图为了分析入射光线角度和阵列透镜中各子透镜间缝隙对辐照面的影响，找出各类杂散光在 辐 照 面 上 的 成 像 位 置，结 合 矩 阵 光 学 理论14-15，建立太阳模拟器光学系统的光线传播矩阵模型，如下：()y出tana出=()1d准01()10-1f准1()1d投01()n()p+p0+()10-1f投1()1d场01()10-1f场1()y入tana入（1）式中，f场、f投、f准分别为场镜子透镜、投影镜子透镜、准直镜的焦距；d场、d投、d准分别为场镜、投影镜、准直镜与辐照面之间的距离；y入、y出、入、出分别为入射光和出射光的高度和角度；n为第n排子透镜；p为子透镜的口径；p为子透镜之间的缝隙。为了求解光线的入射临界角，分析光线在场镜作用下的传播规律，在太阳模拟器光学系统的光线传播矩阵模型的基础上，简化可得光线经场镜作用后，照射在投影镜阵列上的高度和方向矢量矩阵，如下所示：()y投tana投=d场tana入-y入()d场f场-1tana入-y入f场（2）式中，y投和投分别为照射到投影镜上的光线高度和光线角度。由 式（2）可 知，取 场 镜 子 透 镜 半 口 径D半=4.05 mm、f场=24.3 mm、d场=24.3 mm 时，入射光的临近角计算值为9.462。考虑到场镜各子透镜间存在缝隙，且缝隙量将改变作用口径，为此，计算缝隙量对入射光的临近入射角和高度以及出射光线高度的作用关系，如表 1 所示。由表 1 可知，对光学积分器进行优化设计时，若在场镜和投影镜之间添加消串扰光阑，则可有效利用阵列透镜中各子透镜间的缝隙，抑20制串扰到相邻通道的光线进入辐照面，且消串扰光阑的厚度与缝隙量p直接对应。2.3消串扰光阑的优化设计在光学积分器的场镜和投影镜之间设计消串扰光阑可有效减小串扰光线对辐照面的影响，同时提高场镜和投影镜的光轴一致性，进而提高辐照均匀度16。以本文设计的太阳模拟器为例，以辐照面中心点为原点、横坐标为X轴、纵坐标为Y轴，分析缝隙量对辐照面的作用规律，如图 5 所示。（a）Y=0 时，X轴辐照度与子透镜间缝隙的关系（b）X=0 时，Y轴辐照度与子透镜间缝隙的关系图 5子透镜间缝隙与辐照度的关系透镜阵列中子透镜口径为8.1 mm，缝隙从0.2 mm 变化至 1.6 mm，观察辐照度和辐照均匀度的变化情况后发现，当缝隙为 0.5 mm 时，辐照均匀度达到最优值，辐照度优于一个太阳常数。据此设计消串扰光阑厚度为 0.5 mm，遮挡通过缝隙的光束，实现提高辐照均匀度的目的。同时，分析入射光角度、子透镜厚度、场镜与投影镜间的空气间隔以及介质折射率对消串扰光阑长度的影响17，并利用式（3）计算最佳长度h阑：h阑=p2tana入max-2(m子+m胶)n（3）式中，m子为子透镜厚度；m胶为光胶板厚度；n为透镜折射率，其值为n=1.458 6。由式（3）可知，当入=9.462、m子=3 mm，m光=4 mm 时，消串扰光阑长度设计值为 14.7 mm，消串扰光阑的结构设计图如图 6 所示。图 6消串扰光阑结构图表 1缝隙量p对入射光的临近入射角R和高度yR以及出射光高度yC的作用情况入射光角度入/（）-9.462，9.462（9.462，arc()tanD半+pf场-arc()tanD半+pf场，-9.462）(arc()tanD半+pf场，arc()tan3D半+pf场-arc()tan3D半+pf场，-arc()tanD半+pf场)照射到投影镜上的光线高度y入/mm-D半，D半（D半，D半+p-D-p，-D半）（D半+p，3D半+p-3D-p，-D-p）出射光线高度y出/mm-250，250（0，500-500，0）（250，750-750，-250）对出射光线的作用分析入射光线全部进入有效辐照面内。入射光线溢出子透镜，并从缝隙进入系统，在有效辐照面内及辐照面边缘处形成辐照。入射光线直接从相邻子透镜进入系统，并在辐照面外形成辐照。注：表中计算值均以本文设计的太阳模拟器为例。赵东旭，等：大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计第2期21长春理工大学学报（自然科学版）2023年同时，考虑光学积分器工作时局部高温，温度可达 230，故消串扰光阑材料选用低膨胀合金材料铟钢，铟钢在 230 时，线性膨胀系数不高于 1.510-6/。3太阳模拟器光学系统仿真分析3.1光学系统建模与辐照均匀度评价方法利用 LightTools 软件对太阳模拟器光学系统进行建模分析，根据设计参数对太阳模拟器光学系统进行建模，利用蒙特卡洛光线追迹法，追迹 5107条光线，仿真模型如图 7 所示。图 7整体光学系统仿真图对辐照面500 mm 内，以中心对称的方式选取 17 个采样点测量其辐照度值，将测得数据处理后代入公式（4）计算，如图 8 所示。图 8辐照面上 17 点采样法示意图=Emax-EminEmax+Emin 100%（4）式中，表示辐照不均匀度；Emax表示样点数据最大值；Emin表示样点数据最小值。3.2装调误差对辐照度和辐照不均匀度的影响分析复合光源、光学积分器、离轴反射镜装调误差包括角度误差和距离误差。其中，偏转角度为-11，仿真分析结果如图 9 所示；偏转距离为-1010 mm，仿真分析结果如图 10 所示。（a）偏转角度对辐照度的影响（b）偏转角度对辐照不均匀度的影响图 9偏转角度对太阳模拟器性能的影响由图 9 可知，在偏转角度的作用下：复合光源使辐照度最低达到 1 507 W/m2，辐照不均匀度最高达到 2.5%；光学积分器使辐照度最低达到1 504 W/m2，辐照不均匀度最高达到 3.1%；离轴反射准直镜使辐照度最低达到 1 532 W/m2，辐照不均匀度最高达到 3.0%。由图 10 可知，在偏移距离的作用下：复合光源使辐照度最低达到 1 425 W/m2，辐照不均匀度最高达到 4.0%；光学积分器使辐照度最低达到1 395 W/m2，辐照不均匀度最高达到 4.9%；离轴反射准直镜使辐照度最低达到 1 389 W/m2，辐照不均匀度最高达到 4.6%。3.3系统辐照度与辐照均匀度仿真分析分析光学系统在消串扰光阑作用前后，辐照度和辐照均匀度的变化情况。最终采样结果及22辐照均匀度如表 2 所示。（a）偏移距离对辐照度的影响（b）偏移距离对辐照不均匀度的影响图 10偏移对太阳模拟器性能的影响表添加消串扰光阑前后辐照度及辐照均匀度变化辐照面直径/mm添加消串扰光阑前Emax/（W/m2）添加消串扰光阑前Emin/（W/m2）添加消串扰光阑前1/%添加消串扰光阑后Emax/（W/m2）添加消串扰光阑后Emin/（W/m2）添加消串扰光阑后2/%2001 9581 86497.541 6701 62798.705001 9481 77695.381 6411 57998.07由表 2 可知，在200 mm 的辐照面内，加入消串扰光阑后，辐照均匀度由97.54%提高到98.70%，辐照度最小值由 1 864 W/降至 1 627 W/；在500 mm 的辐照面内，加入消串扰光阑后，辐照均匀度由 95.38%提高到 98.07%，辐照度最小值由 1 776 W/降至 1 579 W/。虽然在添加消串扰光阑后，辐照度有所降低，但仍满足一个太阳常数的辐照需求。据此可知，消串扰光阑有效地避免了离轴反射镜的离轴角和阵列透镜中各子透镜间缝隙造成的辐照均匀度下降问题，提高了辐照均匀度。4结论以实现大辐照面高辐照度太阳光斑模拟为目标，设计了一种大口径准直式太阳模拟器光学系统，提出了由三只短弧氙灯配合椭球聚光镜组成的复合光源以提高辐照度，建立了太阳模拟器光学系统的光线传播矩阵模型，掌握了入射光线的入射角和阵列透镜中各子透镜间缝隙对辐照均匀度的作用规律，并据此优化设计了具有消串扰光阑的光学积分器，消除大角度杂散光，实现了提高辐照均匀度的目的。利用LightTools 软件对光学系统进行仿真分析，结果表明：在500 mm 的辐照面内，辐照度优于一个太 阳 常 数，达 到 1 579 W/，辐 照 均 匀 度 优 于98.07%，实现了对大辐照面、高辐照均匀度太阳光斑的模拟。参考文献1吕 涛.高 准 直 高 辐 照 强 度 的 太 阳 模 拟 技 术 研 究D.长春：长春光学精密机械与物理研究所，2014.2王新星.400 mm 辐照面太阳模拟器关键技术研究D.南京：南京理工大学，2015.3张骏.向心型动态准直太阳模拟器技术研究 D.苏州：苏州大学，2018.4李 昊 洋.全 天 候 室 内 太 阳 模 拟 器 关 键 技 术 研 究D.长春：长春理工大学，2020.5 王广才，林兴，顾晨，等.用于太阳模拟器的新型匀光器 J.光学学报，2020，40（24）：218-220.6 薛召凯，张国玉，付明，等.小型太阳模拟器光学系统的设计及仿真 J.长春理工大学学报（自然科学版），2014，37（4）：10-13.7 王俊涛，牛一森，王闻墨，等.基于光纤束的高辐照度太阳模拟器 J.太阳能学报，2021，42（8）：208-214.8 王广才，林兴，顾晨，等.太阳模拟器用光导管匀光器的研究 J.自动化与仪器仪表，2020（12）：58-61+65.赵东旭，等：大辐照面高均匀度反射式太阳模拟系统设计第2期23长春理工大学学报（自然科学版）2023年9 明杉炽，孙高飞，张国玉，等.太阳模拟器宽范围辐照连续可调节系统设计J.光学学报，2021，41（16）：176-184.10 张燃.大口径发散式同轴太阳模拟器及其关键技术研究 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