赵东旭，刘石，张宇，杨松洲，张燃

（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）

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304.8×304.8 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300×300 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Φ400 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Φ500 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Φ200 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

图2 太阳模拟器整体光路图

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：

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、α入、α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；Δp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：

式中，y投和α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°。

因此，我国建筑企业e-HR系统建设应坚持按照 “整体设计、统筹安排、分步实施”的原则，以企业的实际需要出发，针对发展过程中将遇到的各种实际问题，找准突破口和切入点，以满足实际管理需要为原则，建立一套适合我国建筑企业发展的e-HR系统，为实现企业中长期战略发展规划服务。

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。

表1 缝隙量Δp对入射光的临近入射角αR和高度yR以及出射光高度yC的作用情况

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Δp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。

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Φ8.1 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：

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α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

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1.5×10-6/℃。

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5×107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Φ500 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

式中，ε 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-1°～1°，仿真分析结果如图9 所示；偏转距离为-10～10 mm，仿真分析结果如图10 所示。

图9 偏转角度对太阳模拟器性能的影响

图10 偏移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。最终采样结果及辐照均匀度如表2 所示。

表2 添加消串扰光阑前后辐照度及辐照均匀度变化

由表2 可知，在Φ200 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Φ500 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Φ500 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。