气象探空仪试验用太阳模拟器光学系统设计

　　0引言

　　太阳模拟器是一种模拟太阳光辐照特性的试验与测试设备，其主要作用是提供具有一定辐照度和辐照均匀性的光源。早期的太阳模拟器多用于空间飞行器的空间环境模拟试验。近年来，在太阳能的利用、遥感技术、材料测量、卫星姿态部件的测试标定等方面也常将其作为太阳光的模拟光源[’〕。特别是高精度小型太阳模拟器，由于输出光束的辐照均匀性和稳定性可达到相当高的水平，很适合某些测试工作的需要。

　　本文所研制的太阳模拟器满足太阳辐射测量仪器的性能检测要求。在阐述太阳模拟器光学系统布局及工作原理的基础上，重点对其光学系统进行优化设计，提高了系统的辐照均匀性。

　　1光学系统布局及工作原理

　　太阳模拟器光学系统的布局如图1所示。采用具有轴对称性且接近太阳光谱的短弧氛灯1作为太阳模拟器的理想光源，将位于椭球聚光镜2第一焦点处光源发出的光束会聚并反射后通过转向平面反射镜3、光学积分器5、视场光阑7、光学滤光片8、转向平面反射镜9和准直物镜ro后以平行光射出，形成一个辐照度均匀分布的辐照面11川。这样朝准直物镜前方看去，如同来自“无穷远”处的太阳，从而模拟了太阳光辐照特性。

　　2光学系统设计

　　2.1光源的选择

　　光源被称为太阳模拟器的心脏，应具备发光效率高、功率可调、亮度高、光谱与太阳光谱尽可能接近、发光稳定和寿命长等特性。短弧氛灯的主要优点是清洁、高亮度、易启动和熄灭、光谱分布接近太阳光谱，是太阳模拟器较理想的光源。另外，短弧氛

　　2.2光学滤光片的设计

　　光谱分布是太阳模拟器设计的主要指标之一。系统选用短弧氛灯作为太阳模拟器光源，尽管其光谱分布接近于真实太阳光谱分布，但在800-1100nm的谱域内仍存在较大差异，如图2所示。

　　由图2可知，波长在400一soonm的氛灯光谱接近连续谱，而在800一1100nm之间有多个强烈的线谱。通过对氛灯光谱能量的测试计算可知，氛灯波长在500一800nm相对光谱能量比AMI.5相对光谱能量低，而波长在900一lroonm又太高，与A级标准要求相差甚远。因此，需要设计合适的膜系调整这几个波段的能量分布以满足A级标准要求。

　　通过设计薄膜滤光片对短弧氛灯光谱进行校正，将波长在0.8一1.1协m之间偏离太阳光谱的辐射次峰滤掉，使其校正后光谱辐照度分布在0.4一1.1微m波段范围内与A级AMI.5太阳光谱相匹配。

　　2.3聚光系统的光学设计

　　为满足使用要求并与作为光源的短弧氛灯的发光特性相适应，系统采用包容角很大的椭球面反射镜作为太阳模拟器的聚光镜，可获得较高的聚光效率。椭球聚光镜外型尺寸如图3所示，椭圆方程式表示为: