王鵬偉++張國玉++王國名++楊思文++

文章編號： 10055630(2014)02013606

收稿日期： 20131107

摘要： 設(shè)計(jì)一種能夠同時滿足輻照面輻照度達(dá)到一個太陽常數(shù)和32′張角的太陽模擬器。利用理論計(jì)算和光學(xué)軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式,對聚光系統(tǒng)、積分器和準(zhǔn)直系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,并提出一種新的氙燈建模方式,最后利用lighttools對整體光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,獲得了各部件在光學(xué)系統(tǒng)中的最佳位置,使整個光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到較高的能量利用率和輻照均勻性。

關(guān)鍵詞： 太陽模擬器; 組合橢球鏡; 光學(xué)積分器; 準(zhǔn)直鏡; 仿真

中圖分類號： TH 745文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.010

The design of high energy collimated solar simulator

WANG Pengwei1, ZHANG Guoyu1,2, WANG Guoming1, YANG Siwen1

(1.School of OptoElectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;

2.Jilin Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instruments, Changchun 130022, China)

Abstract： Design a solar simulator which can simultaneously achieve a full solar constant irradiance and 32′ angle. With the design of theoretical calculations and optical simulation software, we design and optimize the condenser system, system integrator and the collimator, and put forward a new modeling method xenon lamp. And finally, with lighttools we have a simulation and analysis of the overall optical systemand obtain the best position of each component in the optical system from the simulation process, and make the entire optical system achieve high energy efficiency and uniformity of irradiation.

Key words： solar simulator; combination condenser lens; optical integrator; collimating lens; simulation

引言作為一種重要的太陽敏感期地面標(biāo)定設(shè)備,太陽模擬器能夠模擬太陽輻照特性和精確的太陽張角。從目前公開的資料看,用于地面標(biāo)定的太陽模擬器受系統(tǒng)各參數(shù)的相互制約,無法同時滿足輻照面達(dá)到一個太陽常數(shù),太陽張角32′±0.5′的要求,只能根據(jù)實(shí)際要求犧牲其中的一個指標(biāo)。本文在傳統(tǒng)太陽模擬器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,以提高能量利用率為首要任務(wù),提出了一種新型太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,在保證太陽光譜和輻照均勻性要求的基礎(chǔ)上,成功解決了無法同時滿足真實(shí)太陽張角和真實(shí)太陽輻照度的技術(shù)難題,達(dá)到所需的技術(shù)指標(biāo)。1太陽模擬器的總體設(shè)計(jì)太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)主要由氙燈、聚光系統(tǒng)、積分器、視場光闌和準(zhǔn)直鏡組成［1］,如圖1所示。

圖1太陽模擬器總體設(shè)計(jì)

Fig.1Overall design of a solar simulator

氙燈主要提供足夠的輻照能量,并配合濾光片獲得滿足要求的太陽光譜。聚光系統(tǒng)主要提高聚光效率,獲得較高的能量利用率。積分器作為主要的勻光器件,是光學(xué)系統(tǒng)獲得高均勻性輻照面的主要部分。視場光闌與準(zhǔn)直鏡提供滿足要求的準(zhǔn)直光束。將氙燈置于聚光系統(tǒng)中橢球聚光鏡的第一焦點(diǎn)處,聚光系統(tǒng)由橢球聚光鏡和球面聚光鏡組成,光線經(jīng)一次或二次反射會聚于橢球鏡第二焦面處,即積分器場鏡組表面,積分器將會聚光先分割再會聚并經(jīng)準(zhǔn)直鏡成像于最佳像面處,視場光闌則位于準(zhǔn)直鏡的焦面,精確限定出射光的準(zhǔn)直角,在最佳輻照面處可模擬獲得真實(shí)的太陽輻照度和張角。光學(xué)儀器第36卷

第2期王鵬偉，等：高能高準(zhǔn)直性太陽模擬器設(shè)計(jì)

2氙燈的設(shè)計(jì)與建模根據(jù)光譜特性和發(fā)光效率,選取氙燈作為太陽模擬器的光源。光源輻照能量通過光學(xué)系統(tǒng)各部分后,其光學(xué)傳遞效率為［2］τ=τe?τc?τa?τn1r?τt?τl?τn2o(1)其中:τe為氙燈光電轉(zhuǎn)換效率,取值0.45;τc為橢球聚光鏡聚光效率,取值0.75;τa為光學(xué)積分器孔徑利用率,取值0.4;τr為鏡面反射率,取值0.85;n1為鏡面反射次數(shù),取值2;τt為光學(xué)積分器(場鏡、投影鏡)透過率,取值0.9;τl為光學(xué)濾光片的透過率,取值0.6;τo為準(zhǔn)直鏡的透過率,取值0.9;n2為透過次數(shù),取值4。輻照面內(nèi)的輻照度為E=P?τ4πD2o(2)則氙燈功率為P=πD2o?E4τ(3)選取歐司朗10 000 W氙燈,經(jīng)過計(jì)算,得到圖2的氙燈配光曲線,根據(jù)給定的發(fā)光特性進(jìn)行氙燈建模,如圖3所示。根據(jù)廠家提供的技術(shù)指標(biāo),10 000 W氙燈的燈弧發(fā)光區(qū)域?qū)挾?.4 mm,長度10 mm,陰極斑大約為1 mm,占總輻射能量的70％左右。由氙燈的光電轉(zhuǎn)換效率45％知,實(shí)際利用氙燈功率為4 500 W,故核心區(qū)功率分配3 150 W,非核心區(qū)非配能量為1 350 W,實(shí)際建模參數(shù)如表1所示。圖4為氙燈模型圖,圖5為氙燈模擬配光曲線圖,由圖5可見,所建氙燈模型的配光曲線與給定的曲線基本一致,并且能量在燈弧中的分布也更加合理。

圖2氙燈配光曲線

Fig.2Xenon light distribution curve

圖3氙燈建模原理圖

Fig.3Xenon modeling schematics

表1氙燈建模參數(shù)表

Tab.1Xenon modeling parameter table

區(qū)域體積類型體積大小/mm3能量/W能量比例/％核心區(qū)球體13 15070非核心區(qū)圓柱體45.241 35030

圖4氙燈模型圖

Fig.4Xenon model diagram圖5氙燈模擬配光曲線

Fig.5Light distribution curve simulation

3聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)太陽模擬器采用橢球聚光鏡來提高光能利用率,但是限于橢球鏡的包容角的限制,只能達(dá)到約40％左右,故在新的光學(xué)系統(tǒng)中采用新型組合式聚光系統(tǒng)。組合式聚光系統(tǒng)由一個橢球聚光鏡和一個球面聚光鏡組成,球面聚光鏡的圓心位于橢球鏡的第一焦點(diǎn)處,如圖6和圖7所示。由氙燈配光曲線知,氙燈的發(fā)光角度基本上位于10°～140°之間,要保證光能的最大利用率則需要聚光系統(tǒng)的包容角也能達(dá)到約130°的要求,傳統(tǒng)的橢球聚光鏡由于加工難度與經(jīng)濟(jì)型的制約僅為90°左右,組合式聚光鏡的包容角能達(dá)到110°～120°,使聚光效率達(dá)到80％左右。利用光學(xué)軟件lighttools,獲得在第二焦面處30 mm×30 mm范圍的輻照情況,并與橢球鏡相比較能量利用率提高了83.07%,比較參數(shù)如表2所示。

圖6組合聚光鏡的原理圖

Fig.6Combination condenser schematic

圖7組合式聚光系統(tǒng)的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2兩種結(jié)構(gòu)比較

Tab.2Comparison of two structures

類型輻通量/W光線數(shù)量輻照度最大值/(W?mm-2)能量利用率/％組合聚光鏡3 484.895922 96811.78477.44橢球鏡1 904.057494 3556.67042.30

4積分器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1積分器的設(shè)計(jì)原理積分器是太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中勻光器件的核心。積分器主要由兩塊附加鏡(附加鏡Ⅰ、附加鏡Ⅱ)和兩組復(fù)眼透鏡陣列組成。如圖8所示即為積分器的理想模型成像關(guān)系,主要有兩個成像關(guān)系,其一是光源經(jīng)附加鏡Ⅰ和前組復(fù)眼透鏡分割成多個像并分別成像于后復(fù)眼透鏡面上;其二是前復(fù)眼透鏡組作為視場光闌,其各元素透鏡經(jīng)對應(yīng)的后復(fù)眼透鏡和附加鏡Ⅱ疊加成像于輻照面上。通過將光源能量分割再疊加以及對稱補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)輻照面的均勻性［34］。

圖8積分器設(shè)計(jì)原理圖

Fig.8Integrator design principles

4.2積分器的設(shè)計(jì)優(yōu)化積分器的優(yōu)化主要根據(jù)其成像關(guān)系中像差的影響以及積分器設(shè)計(jì)中各位置的關(guān)系影響,利用Zemax的序列來優(yōu)化像差的影響,利用Zemax的非序列功能來仿真優(yōu)化位置關(guān)系的影響。主要優(yōu)化以下方面:(1)由成像關(guān)系可知,后附加鏡的球差將會影響疊加像的位置,這會影響對稱位置的對稱補(bǔ)償?shù)淖饔?且會使邊緣成像模糊,均勻性下降,所以采用非球面的透鏡。(2)由設(shè)計(jì)的公式知,后附加鏡與后復(fù)眼透鏡陣列的間距會影響光束發(fā)散角,即會影響光能利用率,故需通過序列優(yōu)化來獲得最佳間距。(3)復(fù)眼透鏡最佳間距的優(yōu)化,又稱最佳離焦量的優(yōu)化,由于像差及孔徑的原因,理論計(jì)算的兩組復(fù)眼透鏡位置并不是最佳位置,通過非序列的建模仿真,可以得到一個最佳的間距。圖9為積分器的非序列模型,圖10分別為優(yōu)化前后的輻照圖。

圖9積分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

圖10優(yōu)化前后的輻照圖

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)與仿真一般照明光學(xué)系統(tǒng)對像差的要求不嚴(yán)格,但是在精確準(zhǔn)直式太陽模擬器中,由于有嚴(yán)格的視場角誤差要求,所以須對像差進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化［57］。由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),對出射準(zhǔn)直光束不平行度影響最大的是球差和色差,所以采取正負(fù)雙分離的透鏡組合進(jìn)行校正。軸外像差對于準(zhǔn)直角的影響較大,但是由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),雙透鏡組足以得到較好像差,圖11為準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

圖11準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太陽模擬器的總體仿真優(yōu)化利用光學(xué)軟件lighttools,對太陽模擬器進(jìn)行總體建模,獲得如圖12所示模型。使用蒙特卡羅追擊法對太陽模擬器進(jìn)行仿真優(yōu)化。主要優(yōu)化以下幾個方面：(1)氙燈燈弧長約10 mm,通過光學(xué)仿真的方式獲得一個最佳的位置,同時也給機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)裝置提供了依據(jù)。(2)積分器作為整體在光學(xué)系統(tǒng)中的位置也需要通過仿真給出最佳位置。

圖12太陽模擬器的模型圖

Fig.12Solar simulator model diagram

圖13輻照面均勻性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通過仿真可以看出,原始設(shè)計(jì)光路位置在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中并不一定是最佳位置。根據(jù)仿真分析的結(jié)果,選取氙燈及積分器的最佳位置,再次進(jìn)行光學(xué)仿真,根據(jù)

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到輻照面的均勻性。最終輻照面的輻照度和均勻性如圖13和表3所示。

表3輻照面的能量與均勻性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直徑/mmΦ100Φ200Φ260Φ300輻照度最大值/(W?m-2)2 5592 5592 5592 559輻照度最小值/(W?m-2)2 4912 4762 4072 375均勻性/%1.21.63.063.73

7結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時滿足模擬真實(shí)太陽福照度和太陽張角的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng),利用光路計(jì)算和軟件仿真相結(jié)合的方式來不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了新的氙燈建模方式,新的高聚光效率的聚光系統(tǒng),并提出了利用Zemax序列與非序列相結(jié)合積分器優(yōu)化方式,最終利用lighttools的仿真來優(yōu)化氙燈與積分器在光路中的最佳位置。通過仿真結(jié)果可以看出,輻照面的輻照度超過一個太陽常數(shù)(1 353 W/m2),并且輻照面Φ300 mm內(nèi)不均勻性低于3.73％,達(dá)到較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉洪波.太陽模擬技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程,2001,9(2):177181.

［2］周崇喜,杜春雷.半導(dǎo)體激光器陣列光束準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器,2000,22(6):2529.

［3］VOELKEL R,WEIBLE K J.Laser beam homogenizing:limitations and constraints［J］.Proceedings of SPIE,2008,7102:71020J.

［4］ANTONI M,SINGER W,SCHULTZ J,et al.Illumination optics design for EUV lithography［J］.Proceedings of SPIE,2000,4146:2534.

［5］趙吉林,仲躋功,陳興.TM3000A1太陽模擬器的研究［J］.太陽能學(xué)報,1981,2(4):417424.

［6］王素平,凌健博,劉立偉,等.一種應(yīng)用于太陽仿真器的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光電工程,2006,33(9):3234.

［7］張以謨.應(yīng)用光學(xué)［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

［8］張國玉,呂文華,賀曉雷,等.太陽模擬器輻照均勻性分析［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永財(cái),李湘寧,等.一種適用于CPV的太陽模擬器的光學(xué)結(jié)構(gòu)與分析［J］.光學(xué)儀器,2013,35(3):40

圖6組合聚光鏡的原理圖

Fig.6Combination condenser schematic

圖7組合式聚光系統(tǒng)的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2兩種結(jié)構(gòu)比較

Tab.2Comparison of two structures

類型輻通量/W光線數(shù)量輻照度最大值/(W?mm-2)能量利用率/％組合聚光鏡3 484.895922 96811.78477.44橢球鏡1 904.057494 3556.67042.30

4積分器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1積分器的設(shè)計(jì)原理積分器是太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中勻光器件的核心。積分器主要由兩塊附加鏡(附加鏡Ⅰ、附加鏡Ⅱ)和兩組復(fù)眼透鏡陣列組成。如圖8所示即為積分器的理想模型成像關(guān)系,主要有兩個成像關(guān)系,其一是光源經(jīng)附加鏡Ⅰ和前組復(fù)眼透鏡分割成多個像并分別成像于后復(fù)眼透鏡面上;其二是前復(fù)眼透鏡組作為視場光闌,其各元素透鏡經(jīng)對應(yīng)的后復(fù)眼透鏡和附加鏡Ⅱ疊加成像于輻照面上。通過將光源能量分割再疊加以及對稱補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)輻照面的均勻性［34］。

圖8積分器設(shè)計(jì)原理圖

Fig.8Integrator design principles

4.2積分器的設(shè)計(jì)優(yōu)化積分器的優(yōu)化主要根據(jù)其成像關(guān)系中像差的影響以及積分器設(shè)計(jì)中各位置的關(guān)系影響,利用Zemax的序列來優(yōu)化像差的影響,利用Zemax的非序列功能來仿真優(yōu)化位置關(guān)系的影響。主要優(yōu)化以下方面:(1)由成像關(guān)系可知,后附加鏡的球差將會影響疊加像的位置,這會影響對稱位置的對稱補(bǔ)償?shù)淖饔?且會使邊緣成像模糊,均勻性下降,所以采用非球面的透鏡。(2)由設(shè)計(jì)的公式知,后附加鏡與后復(fù)眼透鏡陣列的間距會影響光束發(fā)散角,即會影響光能利用率,故需通過序列優(yōu)化來獲得最佳間距。(3)復(fù)眼透鏡最佳間距的優(yōu)化,又稱最佳離焦量的優(yōu)化,由于像差及孔徑的原因,理論計(jì)算的兩組復(fù)眼透鏡位置并不是最佳位置,通過非序列的建模仿真,可以得到一個最佳的間距。圖9為積分器的非序列模型,圖10分別為優(yōu)化前后的輻照圖。

圖9積分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

圖10優(yōu)化前后的輻照圖

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)與仿真一般照明光學(xué)系統(tǒng)對像差的要求不嚴(yán)格,但是在精確準(zhǔn)直式太陽模擬器中,由于有嚴(yán)格的視場角誤差要求,所以須對像差進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化［57］。由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),對出射準(zhǔn)直光束不平行度影響最大的是球差和色差,所以采取正負(fù)雙分離的透鏡組合進(jìn)行校正。軸外像差對于準(zhǔn)直角的影響較大,但是由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),雙透鏡組足以得到較好像差,圖11為準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

圖11準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太陽模擬器的總體仿真優(yōu)化利用光學(xué)軟件lighttools,對太陽模擬器進(jìn)行總體建模,獲得如圖12所示模型。使用蒙特卡羅追擊法對太陽模擬器進(jìn)行仿真優(yōu)化。主要優(yōu)化以下幾個方面：(1)氙燈燈弧長約10 mm,通過光學(xué)仿真的方式獲得一個最佳的位置,同時也給機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)裝置提供了依據(jù)。(2)積分器作為整體在光學(xué)系統(tǒng)中的位置也需要通過仿真給出最佳位置。

圖12太陽模擬器的模型圖

Fig.12Solar simulator model diagram

圖13輻照面均勻性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通過仿真可以看出,原始設(shè)計(jì)光路位置在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中并不一定是最佳位置。根據(jù)仿真分析的結(jié)果,選取氙燈及積分器的最佳位置,再次進(jìn)行光學(xué)仿真,根據(jù)

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到輻照面的均勻性。最終輻照面的輻照度和均勻性如圖13和表3所示。

表3輻照面的能量與均勻性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直徑/mmΦ100Φ200Φ260Φ300輻照度最大值/(W?m-2)2 5592 5592 5592 559輻照度最小值/(W?m-2)2 4912 4762 4072 375均勻性/%1.21.63.063.73

7結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時滿足模擬真實(shí)太陽福照度和太陽張角的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng),利用光路計(jì)算和軟件仿真相結(jié)合的方式來不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了新的氙燈建模方式,新的高聚光效率的聚光系統(tǒng),并提出了利用Zemax序列與非序列相結(jié)合積分器優(yōu)化方式,最終利用lighttools的仿真來優(yōu)化氙燈與積分器在光路中的最佳位置。通過仿真結(jié)果可以看出,輻照面的輻照度超過一個太陽常數(shù)(1 353 W/m2),并且輻照面Φ300 mm內(nèi)不均勻性低于3.73％,達(dá)到較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉洪波.太陽模擬技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程,2001,9(2):177181.

［2］周崇喜,杜春雷.半導(dǎo)體激光器陣列光束準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器,2000,22(6):2529.

［3］VOELKEL R,WEIBLE K J.Laser beam homogenizing:limitations and constraints［J］.Proceedings of SPIE,2008,7102:71020J.

［4］ANTONI M,SINGER W,SCHULTZ J,et al.Illumination optics design for EUV lithography［J］.Proceedings of SPIE,2000,4146:2534.

［5］趙吉林,仲躋功,陳興.TM3000A1太陽模擬器的研究［J］.太陽能學(xué)報,1981,2(4):417424.

［6］王素平,凌健博,劉立偉,等.一種應(yīng)用于太陽仿真器的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光電工程,2006,33(9):3234.

［7］張以謨.應(yīng)用光學(xué)［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

［8］張國玉,呂文華,賀曉雷,等.太陽模擬器輻照均勻性分析［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永財(cái),李湘寧,等.一種適用于CPV的太陽模擬器的光學(xué)結(jié)構(gòu)與分析［J］.光學(xué)儀器,2013,35(3):40

圖6組合聚光鏡的原理圖

Fig.6Combination condenser schematic

圖7組合式聚光系統(tǒng)的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2兩種結(jié)構(gòu)比較

Tab.2Comparison of two structures

類型輻通量/W光線數(shù)量輻照度最大值/(W?mm-2)能量利用率/％組合聚光鏡3 484.895922 96811.78477.44橢球鏡1 904.057494 3556.67042.30

4積分器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1積分器的設(shè)計(jì)原理積分器是太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)中勻光器件的核心。積分器主要由兩塊附加鏡(附加鏡Ⅰ、附加鏡Ⅱ)和兩組復(fù)眼透鏡陣列組成。如圖8所示即為積分器的理想模型成像關(guān)系,主要有兩個成像關(guān)系,其一是光源經(jīng)附加鏡Ⅰ和前組復(fù)眼透鏡分割成多個像并分別成像于后復(fù)眼透鏡面上;其二是前復(fù)眼透鏡組作為視場光闌,其各元素透鏡經(jīng)對應(yīng)的后復(fù)眼透鏡和附加鏡Ⅱ疊加成像于輻照面上。通過將光源能量分割再疊加以及對稱補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)輻照面的均勻性［34］。

圖8積分器設(shè)計(jì)原理圖

Fig.8Integrator design principles

4.2積分器的設(shè)計(jì)優(yōu)化積分器的優(yōu)化主要根據(jù)其成像關(guān)系中像差的影響以及積分器設(shè)計(jì)中各位置的關(guān)系影響,利用Zemax的序列來優(yōu)化像差的影響,利用Zemax的非序列功能來仿真優(yōu)化位置關(guān)系的影響。主要優(yōu)化以下方面:(1)由成像關(guān)系可知,后附加鏡的球差將會影響疊加像的位置,這會影響對稱位置的對稱補(bǔ)償?shù)淖饔?且會使邊緣成像模糊,均勻性下降,所以采用非球面的透鏡。(2)由設(shè)計(jì)的公式知,后附加鏡與后復(fù)眼透鏡陣列的間距會影響光束發(fā)散角,即會影響光能利用率,故需通過序列優(yōu)化來獲得最佳間距。(3)復(fù)眼透鏡最佳間距的優(yōu)化,又稱最佳離焦量的優(yōu)化,由于像差及孔徑的原因,理論計(jì)算的兩組復(fù)眼透鏡位置并不是最佳位置,通過非序列的建模仿真,可以得到一個最佳的間距。圖9為積分器的非序列模型,圖10分別為優(yōu)化前后的輻照圖。

圖9積分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

圖10優(yōu)化前后的輻照圖

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)與仿真一般照明光學(xué)系統(tǒng)對像差的要求不嚴(yán)格,但是在精確準(zhǔn)直式太陽模擬器中,由于有嚴(yán)格的視場角誤差要求,所以須對像差進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化［57］。由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),對出射準(zhǔn)直光束不平行度影響最大的是球差和色差,所以采取正負(fù)雙分離的透鏡組合進(jìn)行校正。軸外像差對于準(zhǔn)直角的影響較大,但是由于準(zhǔn)直系統(tǒng)是小視場系統(tǒng),雙透鏡組足以得到較好像差,圖11為準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

圖11準(zhǔn)直鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太陽模擬器的總體仿真優(yōu)化利用光學(xué)軟件lighttools,對太陽模擬器進(jìn)行總體建模,獲得如圖12所示模型。使用蒙特卡羅追擊法對太陽模擬器進(jìn)行仿真優(yōu)化。主要優(yōu)化以下幾個方面：(1)氙燈燈弧長約10 mm,通過光學(xué)仿真的方式獲得一個最佳的位置,同時也給機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)裝置提供了依據(jù)。(2)積分器作為整體在光學(xué)系統(tǒng)中的位置也需要通過仿真給出最佳位置。

圖12太陽模擬器的模型圖

Fig.12Solar simulator model diagram

圖13輻照面均勻性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通過仿真可以看出,原始設(shè)計(jì)光路位置在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中并不一定是最佳位置。根據(jù)仿真分析的結(jié)果,選取氙燈及積分器的最佳位置,再次進(jìn)行光學(xué)仿真,根據(jù)

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到輻照面的均勻性。最終輻照面的輻照度和均勻性如圖13和表3所示。

表3輻照面的能量與均勻性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直徑/mmΦ100Φ200Φ260Φ300輻照度最大值/(W?m-2)2 5592 5592 5592 559輻照度最小值/(W?m-2)2 4912 4762 4072 375均勻性/%1.21.63.063.73

7結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時滿足模擬真實(shí)太陽福照度和太陽張角的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng),利用光路計(jì)算和軟件仿真相結(jié)合的方式來不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了新的氙燈建模方式,新的高聚光效率的聚光系統(tǒng),并提出了利用Zemax序列與非序列相結(jié)合積分器優(yōu)化方式,最終利用lighttools的仿真來優(yōu)化氙燈與積分器在光路中的最佳位置。通過仿真結(jié)果可以看出,輻照面的輻照度超過一個太陽常數(shù)(1 353 W/m2),并且輻照面Φ300 mm內(nèi)不均勻性低于3.73％,達(dá)到較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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