大面积太阳光模拟器如何提高辐照均匀性

航天载荷标定、热平衡试验要求大面积太阳光模拟器给出均匀照射。面积放大不带来辐照均匀性。研究表明太阳光模拟器光学系统的难点在聚光、匀光与投影。把自由曲面聚光器、光学积分器和远心投影系统串成一条光路。大面积辐照系统在 1200 mm×1200 mm 面内不均匀性压到 2% 以内。大面积太阳光模拟器的整体光路自由曲面聚光器 → 光学积分器 → 物方远心投影系统 → 照射面大面积太阳光模拟器的均匀性问题有效辐照面积是满足最低辐照度要求的区域空间均匀性描述这块区域的能量起伏。两者是独立指标不能互相替代。大面积辐照系统扩大照射范围后边缘光线更难控中心与边缘的差异会被放大。热平衡试验要求在数百毫米到米级尺度上压住这种差异否则局部过热会直接进到测量结果里。辐照不均匀性怎么算ε (Emax - Emin) / (Emax Emin) × 100%其中Emax和 Emin分别是评价区域内的最大与最小辐照度。比值越小辐照均匀性越好。它衡量区域内最亮处与最暗处的差距。评价区域、采样点数和测量条件一变算出的数就差很多。自由曲面聚光器的工作原理光线映射与能量分布优化自由曲面聚光器调整反射面局部轮廓改变不同出射角光线的传播方向。依据能量守恒和反射定律把光源各角度的能量映射到目标面的对应环带进入匀光系统的入射光场因此更平坦。这一步只解决入射光场匀光还得靠积分器。氙灯太阳光模拟器就是扩展光源面积一大点光源算出的面形就失配论文用贝塞尔曲线拟合再退火。光源出射角区间与目标面环带的能量映射A剖面关系B目标面上的同心环带自由曲面与传统椭球聚光器的区别传统椭球聚光器第二焦面的能量呈中心高、边缘低的高斯分布因为曲面把中心能量聚得更紧。自由曲面光学设计改的是轮廓削掉这个梯度。2023 年那篇 iScience 论文在第二焦面上做过对比自由曲面的不均匀性明显低于传统椭球。但差距依赖光源尺寸和评价口径不能外推成所有设备的固定倍数。光学积分器与远心投影协同光学积分器把入射光束切成多个子通道再由对应的投影透镜把小像叠到同一平面。常见做法是数十个方形单元论文用了 36 通道。轴外球差和彗差会让小像变形、落进相邻通道叠出来的面就花了所以每一路都得单独校正。投影段把积分器出射的平行光收拢成像。论文用透射式物方远心结构小口径镜组就铺满 1200 mm 见方面。大面积辐照系统一放大面积约束跟着变口径、相对孔径、光瞳衔接动一项另两项就得重排。物方远心投影系统光路叠加聚光镜组 → 虚像面 → 成像投影镜组仿真结果与光学装调误差不同聚光方案的均匀性对比研究给出的仿真数据是在Φ600 mm评价区域自由曲面方案不均匀性约0.73%椭球方案约2.5%在Φ1200 mm区域分别为1.49%和4.51%。这些数字来自特定仿真条件图表口径与实际测量可能存在差异使用时需进一步核对原文评价方法。两种聚光方案的辐照不均匀性对比面形精度与装调偏差的影响在 LightTools 里把太阳光模拟器光学系统的面形精度、聚光角度偏移和三个子系统位置逐个偏开。面形精度要优于 10 μm达不到大角度杂散光上升场镜的光漏进相邻通道照射面冒出异常点。轴向和垂直偏差压到 0.2 mm 以内投影偏移放到 0.4 mm 仍在设计范围内。三段光路的公差窗口与误差敏感度大面积太阳光模拟器的选型和应用LED 和氙灯是两条路线。氙灯太阳光模拟器光谱接近太阳、功率变化时漂移小。LED 寿命长、可调性强受单管功率限制大面积高辐照下光谱拼接和太阳模拟器均匀性都更难做。太阳光模拟器选型不该只看光源名称还要看照射面积、光谱匹配等级、太阳模拟器辐照度能不能到 1353 W/m²。航天任务不只要面积和均匀性。光谱匹配到什么等级、太阳模拟器辐照度能不能长期稳住、试验要跑多久都得一起算。按 IEC 60904-9:2020 判为 A 级光谱匹配和辐照不稳定度同样是 A 级滤光和电源设计要另外补。太阳光模拟器的三段光路要一起设计才决定辐照均匀性。自由曲面先压住入射光场的起伏积分器靠通道叠加抹平残差远心投影把虚像放大到 1200 mm 见方。大面积辐照系统选型时把有效辐照面积、评价区内的太阳模拟器均匀性、光谱和稳定性放在同一套条件里比。条件不齐数就没法比。Luminbox 3A AAA级太阳模拟器Luminbox 3A AAA级太阳模拟器以AAA综合性能实现辐照均匀、光谱精准与运行稳定的三重突破通过权威认证为材料测试提供高可靠、标准化的全光谱光照解决方案推动精密光学实验迈向更高精度与可重复性。Luminbox 3A AAA级太阳模拟器A级光谱匹配300-1200 nm全覆盖误差≤1%IEC标准。高均匀辐照45cm×45cm区域不均匀度仅1.8%A级。超稳运行20分钟波动≤0.5%A级。权威认证国家计量院校准国际标准合规。工业级设计适配光伏、材料、光催化等多场景。Luminbox凭借对光谱匹配度、辐照均匀性等核心指标的极致追求已构建起覆盖LED/氙灯/卤素灯全技术路线的产品矩阵技术持续创新、关键性能指标表现出色为客户提供了优质的产品和全场景太阳光环境模拟解决方案。原文参考Shi Liu, Jierui Zhang, Yu Zhang, Shuowei Zhang, Songzhou Yang, Guoxing Zou, Liquan Liu. Overall study of solar simulation optical system with large irradiated surface using free-form concentrator to improve uniformity[J]. iScience, 2023, 26(10): 107781. DOI: 10.1016/j.isci.2023.107781.*特别声明本公众号所发布的原创及转载文章仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考如涉及版权问题敬请联系我们将在第一时间核实并处理。