專利名稱：模擬太陽照射光源的變焦裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光照射裝置，特別是一種模擬太陽照射光源的變焦裝置。
背景技術：
在光散射測量系統(tǒng)中，需要一個模擬太陽照射的光源，產(chǎn)生一束像太陽一樣的大直徑均 勻的平行強光，用于準確照射遠處物體，模擬測試陽光照射下及激光照射下的光散射特性， 以便獲取不同季節(jié)、日期和時刻下的日光照射影像，所獲得的影像將用于識別高空飛行物。 該設備是空間環(huán)境模擬試驗設備的一部分。
經(jīng)檢索，目前國內有關模擬太陽照射的光源的變焦裝置主要用于硅光電池的性能測試裝
置中，例如專利號200620059907.6太陽光模擬與太陽電池性能測定組合裝置提供一種太 陽光模擬與太陽電池性能測定組合裝置，其中，所述模擬太陽光部分組件包括氤燈、電子式 氙燈電源、電子觸發(fā)器、反光鏡、輻照計，所述氙燈與反光鏡相對設置，并通過電子觸發(fā)器 與電子式氙燈電源相連接，所述輻照計與反光鏡反射氙燈光線的方向相對設置。該裝置作為 光源部分是由球面反光鏡和氙燈簡單構成，由于氙燈電極的阻擋作用，經(jīng)球面反光鏡反射后 的平行光是不均勻的，中心存在較弱的光照區(qū)。為了使光照均勻， 一般采用光積分器，將垂 直于平行光的光照平面分成多個小區(qū)，每一小區(qū)的光強近似為均勻，再將各個小區(qū)放大重疊 經(jīng)準直鏡形成均勻的平行光。由于硅光電池的性能測試裝置中所用太陽模擬器的功率較小， 被照射物位置不變，光積分器的冷卻問題采用風冷即可解決，且無需調焦。
對于大功率用于空間技術的太陽模擬器，在20世紀70年代，美國采用離軸準直光 學系統(tǒng)。德國在80年代也采用離軸準直光學系統(tǒng)研制出了技術先進的大型太陽模擬器。
在專利號200610142125.3種公開了一種太陽模擬器，其中包括多個氙燈(41 4n);對 所述各氙燈(41 4n)配備的多個光量傳感器(Sl Sn);和對所述各氙燈(41 4n)配備的、用于 控制流經(jīng)該氤燈(41 4n)的電流或對該氙燈施加的電壓多個控制電路(7)，使基于所述各光量 傳感器(Sl Sn)的檢測信號反饋到所述各控制電路(7)，控制該控制電路(7)，來控制所述各氤 燈(41 4n)的光量。由此提供太陽模擬器，在具備多個氙燈作為電源的太陽模擬器中，能夠 通過各氙燈穩(wěn)定地獲得所期望的光量，且能夠使有效照射面中的照度均勻化。采用多個氣燈無疑將使結構復雜。
中國空間技術研究院曾公開該院設計制造的30kWKM6太陽模擬器，選用了離軸準直 光學系統(tǒng)，其結構由燈室(包括支架、聚光系統(tǒng)、水冷檔板)、平面反射鏡組件、光學積分 器、真空密封窗口和準直鏡組成。聚光系統(tǒng)由19個氙燈單元組成，每個氙燈單元用25kW水 冷短弧氙燈做光源，每個光源配備一個由水冷卻的橢球聚光鏡和調節(jié)機構。冷卻系統(tǒng)十分復 雜。積分器等光學組件采用低壓水冷和低壓氮氣冷卻系統(tǒng)冷卻。該裝置在距準直鏡中心 16532mm處的參考平面內，以太陽模擬器準直鏡光軸與參考平面交點為圓心的(p5000mm 范圍內，子午面內的輻照不均勻度為±5.55%，弧矢面內輻照不均勻度不大于±2.72%;在 (p5000mm士2000mm空間內，輻照不均勻度為±6.59%。該裝置由于積分器焦距不能調，無法 用于移動目標。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術的上述不足，而提供一種結構簡單， 光照均勻的，距離可調節(jié)的可用于移動目標的模擬太陽照射光源的變焦裝置。 本發(fā)明所提供的模擬太陽照射光源的變焦裝置是由如下技術方案來實現(xiàn)的。
一種模擬太陽照射光源的變焦裝置，包括氙燈、匯聚氙燈光的球面反光鏡、光學積分 器和準直鏡，所述球面反光鏡將氙燈所發(fā)的光匯聚至光學積分器，所述光學積分器將入射的 光變成多個相互交叉疊加的強度均勻的發(fā)散的光柱照射于準直鏡而成而成多束光射出，所述 多束光交匯于遠離準直鏡的同一平面上，其特征在于所述光學積分器為可調焦距光學積分 器；所述準直鏡為球面反射鏡。
除上述必要技術特征外，在具體實施過程中，還可補充如下技術內容。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反光鏡的光軸與所述 光學積分器的光軸垂直相交，于交點處設有與光軸成45'的平面反射鏡。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述可調焦距光學積分器是由場鏡 陣列和投影鏡陣列組成，每個陣列由多個焦距相等的正六邊形平凸透鏡組成，并設置于蜂窩 狀結構的金屬框架板內；所述場鏡陣列和投影鏡陣列的蜂窩狀結構的金屬框架板設置于一金 屬筒內，其中所述場鏡陣列金屬框架板與所述金屬筒固定，而所述投影鏡陣列金屬框架板
通過位置調節(jié)裝置滑設于所述金屬筒內，且所調節(jié)的場鏡陣列和投影鏡陣列之間的距離稍大 于所述正六邊形平凸透鏡焦距。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述場鏡陣列金屬框架板和投影鏡 陣列金.屬框架板的多個孔上均固設有的正六邊形金屬筒，且所述構成場鏡陣列金屬框架板和投影鏡陣列金屬框架板的孔上的正六邊形金屬筒相互套插設置。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于于所述設有金屬框架板的金屬筒的 外周面上貼設半導體制冷板冷端，半導體制冷板的外表面熱端設有外筒，所述外筒上設有散 熱片；所述正六邊形平凸透鏡采用耐高溫的石英玻璃制成。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述投影鏡陣列金屬框架板的位置 調節(jié)裝置是絲桿螺母調節(jié)裝置，具體是于所述滑設投影鏡陣列金屬框架板的金屬筒上設有 滑槽，滑槽的兩端設有固定支架，所述投影鏡陣列金屬框架板上固設有一滑塊，所述滑塊滑 設于所述滑槽內且外伸凸出于所述金屬筒外，且于滑塊的外伸部分上設有螺孔， 一設有手輪 的絲杠螺設于所述螺孔并可轉動地固定于二支架上。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述正六邊形平凸透鏡焦距為 300mm 350mm，優(yōu)選330mm。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述匯聚氙燈光的球面反光鏡是橢 球面反光鏡。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反射鏡的焦距大于10倍 正六邊形平凸透鏡焦距，且所述球面反射鏡與所述投影鏡的距離等于球面反射鏡的焦距。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反射鏡的背面設有驅動球 面反射鏡繞中軸線與鏡面交點偏轉的偏轉裝置。
所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述的偏轉裝置是電機驅動的齒輪 或蝸輪蝸桿。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、 本發(fā)明通過調節(jié)光學積分器中的投影鏡陣列到場鏡陣列的距離以及球面反射鏡的偏 擺角度，使投影鏡陣列中的各個透鏡的光完全重合匯聚于移動的目標物上從而可獲取不同季 節(jié)、R期和時刻下的日光照射影像。
2、 光學積分器采用半導體制冷，簡化了復雜的水冷和液氮冷卻系統(tǒng)，是裝置的成本大
大降低。
為對本發(fā)明的結構特征及其功效有進一步了解，茲列舉具體實施例并結合附圖詳細說明 如下。


圖1是本發(fā)明模擬太陽照射光源的變焦裝置的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明模擬太陽照射光源的變焦裝置中的光學積分器的截面示意圖。圖3是光學積分器的縱剖面圖，顯示內部結構。
圖4是另一種結構的光學積分器的縱剖面圖。
圖5是單鏡成像光路圖，反光鏡與透鏡同軸。
圖6是反光鏡與透鏡不同軸時的單鏡成像光路圖，
圖7是光學積分器的光路圖反光鏡與光學積分器不同軸。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明所提供的光照均勻的，距離可調節(jié)的可用于移動目標的模擬太陽照射光源 的變焦裝置的結構示意圖。由圖可見，本發(fā)明所提供的模擬太陽照射光源的變焦裝置，包括 球面反光鏡1氙燈2、光學積分器4和準直鏡5，所述球面反光鏡1為橢球反光鏡，所述氤 燈2設于橢球面反光鏡1焦點上，橢球面反光鏡1將氙燈2所發(fā)的光匯聚到橢球的另一焦點， 在橢球的二焦點之間設置所述光學積分器4，所述球面反光鏡將氤燈所發(fā)的光匯聚至光學積 分器4，所述光學積分器4將入射的光變成多個相互交叉疊加的強度均勻的發(fā)散的光柱照射 于準直鏡5上，經(jīng)由準直鏡5而成多束大致平行于光軸的光射出，所述多束光交匯于遠離準 直鏡5的平面上為了得到不同的多束光交匯平面與準直鏡5的距離，即照射光源的照射距 離，所述光學積分器4為可調焦距光學積分器；為了改變照射光源的照射角度，所述準直鏡 5為球面反射鏡。通過偏轉球面反射鏡即可或的不同的照射角度。
在圖l所示具體實施例中，所述球面反光鏡1的光軸與所述光學積分器4的光軸垂直相 交，于交點處設有與光軸成45'的平面反射鏡3。由球面反光鏡l射出的光經(jīng)平面反射鏡反 射至光學積分器4。
本發(fā)明的上述裝置安裝于基座7上，基座底部設有供移動的滾輪8和防止移動的螺旋 支撐9。
圖2、圖3是本發(fā)明模擬太陽照射光源的變焦裝置中的光學積分器的截面示意圖和縱剖 面圖。由圖可見，本發(fā)明所述的可調焦距光學積分器4是由場鏡陣列41和投影鏡陣列42組 成，每個陣列由多個焦距相等的正六邊形平凸透鏡43組成，并設置于蜂窩狀結構的金屬框 架板44、 45內；所述場鏡陣列41和投影鏡陣列42的蜂窩狀結構的金屬框架板44、 45設置 于一金屬筒46內，其中所述場鏡陣列金屬框架板44與所述金屬筒46固定，而所述投影 鏡陣列金屬框架板45通過位置調節(jié)裝置6滑設于所述金屬筒46內，且所調節(jié)的場鏡陣列41 和投影鏡陣列42之間的距離稍大于所述正六邊形平凸透鏡43的焦距fl。通過位置調節(jié)裝置 的調節(jié)，所述投影鏡陣列42沿光軸在稍大于但接近于平凸透鏡43的焦距的范圍內調節(jié)，以 使場鏡陣列41中的各個正六邊形平凸透鏡43的光亮的正六邊形通過投影鏡陣列42對應的焦距為fl的平凸透鏡成像于遠離投影鏡陣列的平面上。根據(jù)幾何光學的公式1/焦距=1/物 距+l/像距，可確定位置調節(jié)裝置的調節(jié)范圍。所述正六邊形平凸透鏡焦距fl為300mm 350mm，優(yōu)選330mm。若像距為20 50m則物距(即場鏡陣列與投影鏡陣列之間的距離為 339mm 335. 5mm。所述蜂窩狀結構及平凸透鏡的形狀也可以采用圓柱形，但是從最大限度利 用光能的角度，減少損失，采用正六邊形最佳。
圖4提供了另一種可調焦距光學積分器的結構，在圖4所示可調焦距光學積分器中，所 述場鏡陣列金屬框架板和投影鏡陣列金屬框架板44、 45的多個孔上均固設有的正六邊形金 屬筒48、 49，且所述構成場鏡陣列金屬框架板和投影鏡陣列金屬框架板的孔上的正六邊形金 屬筒48、 49相互套插設置。
由于通過光學積分器的光能量很大，工作時，光學積分器的溫度很高，必須對其進行冷 卻， 一般采用水冷加液氮，冷卻裝置的結構復雜，成本很高，本發(fā)明為了降低成本，采用半 導體制冷加風冷，具體是，于所述設有金屬框架板的金屬筒46的外周面上貼設半導體制冷 板50冷端，半導體制冷板50的外表面熱端設有外筒47，所述外筒47上設有散熱片51;而 所述正六邊形平凸透鏡采用耐高溫的石英玻璃制成，能承受1200度的高溫。
所述投影鏡陣列金屬框架板的位置調節(jié)裝置6是絲桿螺母調節(jié)裝置，具體是于所述滑 設投影鏡陣列金屬框架板的金屬筒46上設有滑槽461，滑槽的兩端設有固定支架462、 463， 所述投影鏡陣列金屬框架板45上固設有一滑塊451，所述滑塊滑451設于所述滑槽461內且 外伸凸出于所述金屬筒46外，且于滑塊的外伸部分上設有螺孔452， 一設有手輪61的絲杠 62螺設于所述螺孔452并可轉動地固定于二支架462、 463上。
所述改變照射光源的照射角度的球面反射鏡的焦距大于10倍正六邊形平凸透鏡焦距， 且所述球面反射鏡與所述投影鏡陣列42的距離等于球面反射鏡的焦距。即若投影鏡陣列42 與球面反射鏡同軸，即投影鏡陣列42位于球面反射鏡的焦點上，如果投影鏡陣列42中心的 正六邊形平凸透鏡相對于球面反射鏡的焦距很小，近似為一點時，則由平凸透鏡射出的光經(jīng) 球面反射鏡反射后為一組平行于球面反射鏡光軸的平行光。場鏡陣列41中心的正六邊形平 凸透鏡通過投影鏡陣列42中心的正六邊形平凸透鏡所成的像經(jīng)球面反射鏡反射的成像光路 圖示于圖5、圖6，其中圖6反光鏡與光學積分器不同軸。根據(jù)圖6光路、所需光照面積和 距離，利用幾何和三角公式可求出球面反射鏡的焦距和面積以及投影鏡陣列.42與場鏡陣列 41之間的距離。
為了獲得不同照射角度，所述球面反射鏡的背面設有驅動球面反射鏡繞中軸線與鏡面交 點偏轉的偏轉裝置。所述的偏轉裝置是電機驅動的齒輪或蝸輪蝸桿。圖6是反光鏡偏轉后與 透鏡不同軸時的單鏡成像光路圖'。圖7是用光學積分器中兩個正六邊形平凸透鏡的光路成像圖，反光鏡與光學積分器不同 軸。由圖7可見，當投影鏡陣列42位于L1時，在無準直鏡時，場鏡陣列中的二相鄰正六邊 形平凸透鏡的成像為R1、 R2，經(jīng)球面反射鏡的準直鏡反射后，成像為S1、 S2;當移動投影 鏡陣列42，使其接近正六邊形平凸透鏡的焦距時，經(jīng)球面反射鏡的準直鏡反射后，成像為 Tl、 T2;其中，Tl、 T2之間的距離小于Sl、 S2之間的距離。即相對于光學積分器中的場 鏡陣列41和投影鏡陣列42之間的不同距離，場鏡陣列41中各個發(fā)光正六邊形平凸透鏡經(jīng) 投影鏡陣列42及球面反射鏡所成各像之間的距離也不同，通過調節(jié)投影鏡陣列42與場鏡陣 列41之間的距離可以調節(jié)各個發(fā)光正六邊形平凸透鏡成像的重合程度，從而達到整個光燭 光強均勻一致。
權利要求
1、一種模擬太陽照射光源的變焦裝置，包括氙燈、匯聚氙燈光的球面反光鏡、光學積分器和準直鏡，所述球面反光鏡將氙燈所發(fā)的光匯聚至光學積分器，所述光學積分器將入射的光變成多個相互疊加的強度均勻的發(fā)散的光柱照射于準直鏡而成而成多束光射出，所述多束光交匯于遠離準直鏡的同一平面上，其特征在于所述光學積分器為可調焦距光學積分器；所述準直鏡為球面反射鏡。
2、 根據(jù)權利要求l所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反 光鏡的光軸與所述光學積分器的光軸垂直相交，于交點處設有與光軸成45'的平面反射鏡。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述可調 焦距光學積分器是由場鏡陣列和投影鏡陣列組成，每個陣列由多個焦距相等的正六邊形平凸 透鏡組成，并設置于蜂窩狀結構的金屬框架板內；所述場鏡陣列和投影鏡陣列的蜂窩狀結構 的金屬框架板設置于一金屬筒內，其中所述場鏡陣列金屬框架板與所述金屬筒固定，而所 述投影鏡陣列金屬框架板通過位置調節(jié)裝置滑設于所述金屬筒內，且所調節(jié)的場鏡陣列和投 影鏡陣列之間的距離稍大于所述正六邊形平凸透鏡焦距。
4、 根據(jù)權利要求3所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述場鏡陣列 金屬框架板和投影鏡陣列金屬框架板的多個孔上均固設有的正六邊形金屬筒，且所述構成場 鏡陣列金屬框架板和投影鏡陣列金屬框架板的孔上的正六邊形金屬筒相互套插設置。
5、 根據(jù)權利要求3所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于于所述設有金 屬框架板的金屬筒的外周面上貼設半導體制冷板冷端，半導體制冷板的外表面熱端設有外 筒，所述外筒上設有散熱片；所述正六邊形平凸透鏡采用耐高溫的石英玻璃制成。
6、 根據(jù)權利要求3所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述投影鏡陣 列金屬框架板的位置調節(jié)裝置是絲桿螺母調節(jié)裝置，具體是于所述滑設投影鏡陣列金屬框 架板的金屬筒上設有滑槽，滑槽的兩端設有固定支架，所述投影鏡陣列金屬框架板上固設有 一滑塊，所述滑塊滑設于所述滑槽內且外伸凸出于所述金屬筒外，且于滑塊的外伸部分上設 有螺孔， 一設有手輪的絲杠螺設于所述螺孔并可轉動地固定于二支架上。
7、 根據(jù)權利要求3所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述正六邊形平凸透鏡焦距為300mm 350mm，優(yōu)選330mm。
8、 根據(jù)權利要求或2所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述匯聚氙 燈光的球面反光鏡是橢球面反光鏡。
9、 根據(jù)權利要求3所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反射 鏡的焦距大于10倍正六邊形平凸透鏡焦距，且所述球面反射鏡與所述投影鏡的距離等于球 面反射鏡的焦距。
10、 根據(jù)權利要求9所述的模擬太陽照射光源的變焦裝置，其特征在于所述球面反射 鏡的背面設有驅動球面反射鏡繞中軸線與鏡面交點偏轉的偏轉裝置；所述的偏轉裝置是電機驅動的齒輪或蝸輪蝸桿。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光照射裝置，特別是一種模擬太陽照射光源的變焦裝置，其包括氙燈、匯聚氙燈光的球面反光鏡、光學積分器和準直鏡，所述球面反光鏡將氙燈所發(fā)的光匯聚至光學積分器，所述光學積分器將入射的光變成多個相互疊加的強度均勻的發(fā)散的光柱照射于準直鏡而成多束光射出，所述多束光交匯于遠離準直鏡的同一平面上，其特征在于所述光學積分器為可調焦距光學積分器；所述準直鏡為球面反射鏡。通過調節(jié)光學積分器中的投影鏡陣列到場鏡陣列的距離以及球面反射鏡的偏擺角度，使投影鏡陣列中的各個透鏡的光完全重合匯聚于移動的目標物上從而可獲取不同季節(jié)、日期和時刻下的日光照射影像。
文檔編號F21V13/12GK101441326SQ20071017798
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月23日 優(yōu)先權日2007年11月23日
發(fā)明者胡國華, 蘇必達, 范小禮, 蓉 鄧 申請人:北京美聯(lián)華新測控技術有限公司;中國航天科工集團第二研究院二〇七所