高能高准直性太阳模拟器设计

王鹏伟++张国玉++王国名++杨思文++

文章编号： 10055630(2014)02013606

收稿日期： 20131107

摘要： 设计一种能够同时满足辐照面辐照度达到一个太阳常数和32′张角的太阳模拟器。利用理论计算和光学软件仿真相结合的设计方式,对聚光系统、积分器和准直系统分别进行设计与优化,并提出一种新的氙灯建模方式,最后利用lighttools对整体光学系统进行仿真分析,获得了各部件在光学系统中的最佳位置,使整个光学系统达到较高的能量利用率和辐照均匀性。

关键词： 太阳模拟器; 组合椭球镜; 光学积分器; 准直镜; 仿真

中图分类号： TH 745文献标志码： 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

引言作为一种重要的太阳敏感期地面标定设备,太阳模拟器能够模拟太阳辐照特性和精确的太阳张角。从目前公开的资料看,用于地面标定的太阳模拟器受系统各参数的相互制约,无法同时满足辐照面达到一个太阳常数,太阳张角32′±0.5′的要求,只能根据实际要求牺牲其中的一个指标。本文在传统太阳模拟器设计的基础上,以提高能量利用率为首要任务,提出了一种新型太阳模拟器光学系统设计方案,在保证太阳光谱和辐照均匀性要求的基础上,成功解决了无法同时满足真实太阳张角和真实太阳辐照度的技术难题,达到所需的技术指标。1太阳模拟器的总体设计太阳模拟器的光学系统主要由氙灯、聚光系统、积分器、视场光阑和准直镜组成［1］,如图1所示。

图1太阳模拟器总体设计

Fig.1Overall design of a solar simulator

氙灯主要提供足够的辐照能量,并配合滤光片获得满足要求的太阳光谱。聚光系统主要提高聚光效率,获得较高的能量利用率。积分器作为主要的匀光器件,是光学系统获得高均匀性辐照面的主要部分。视场光阑与准直镜提供满足要求的准直光束。将氙灯置于聚光系统中椭球聚光镜的第一焦点处,聚光系统由椭球聚光镜和球面聚光镜组成,光线经一次或二次反射会聚于椭球镜第二焦面处,即积分器场镜组表面,积分器将会聚光先分割再会聚并经准直镜成像于最佳像面处,视场光阑则位于准直镜的焦面,精确限定出射光的准直角,在最佳辐照面处可模拟获得真实的太阳辐照度和张角。光学仪器第36卷

第2期王鹏伟，等：高能高准直性太阳模拟器设计

2氙灯的设计与建模根据光谱特性和发光效率,选取氙灯作为太阳模拟器的光源。光源辐照能量通过光学系统各部分后,其光学传递效率为［2］τ=τe•τc•τa•τn1r•τt•τl•τn2o(1)其中:τe为氙灯光电转换效率,取值0.45;τc为椭球聚光镜聚光效率,取值0.75;τa为光学积分器孔径利用率,取值0.4;τr为镜面反射率,取值0.85;n1为镜面反射次数,取值2;τt为光学积分器(场镜、投影镜)透过率,取值0.9;τl为光学滤光片的透过率,取值0.6;τo为准直镜的透过率,取值0.9;n2为透过次数,取值4。辐照面内的辐照度为E=P•τ4πD2o(2)则氙灯功率为P=πD2o•E4τ(3)选取欧司朗10 000 W氙灯,经过计算,得到图2的氙灯配光曲线,根据给定的发光特性进行氙灯建模,如图3所示。根据厂家提供的技术指标,10 000 W氙灯的灯弧发光区域宽度2.4 mm,长度10 mm,阴极斑大约为1 mm,占总辐射能量的70％左右。由氙灯的光电转换效率45％知,实际利用氙灯功率为4 500 W,故核心区功率分配3 150 W,非核心区非配能量为1 350 W,实际建模参数如表1所示。图4为氙灯模型图,图5为氙灯模拟配光曲线图,由图5可见,所建氙灯模型的配光曲线与给定的曲线基本一致,并且能量在灯弧中的分布也更加合理。

图2氙灯配光曲线

Fig.2Xenon light distribution curve

图3氙灯建模原理图

Fig.3Xenon modeling schematics

表1氙灯建模参数表

Tab.1Xenon modeling parameter table

区域体积类型体积大小/mm3能量/W能量比例/％核心区球体13 15070非核心区圆柱体45.241 35030

图4氙灯模型图

Fig.4Xenon model diagram图5氙灯模拟配光曲线

Fig.5Light distribution curve simulation

3聚光系统设计传统太阳模拟器采用椭球聚光镜来提高光能利用率,但是限于椭球镜的包容角的限制,只能达到约40％左右,故在新的光学系统中采用新型组合式聚光系统。组合式聚光系统由一个椭球聚光镜和一个球面聚光镜组成,球面聚光镜的圆心位于椭球镜的第一焦点处,如图6和图7所示。由氙灯配光曲线知,氙灯的发光角度基本上位于10°～140°之间,要保证光能的最大利用率则需要聚光系统的包容角也能达到约130°的要求,传统的椭球聚光镜由于加工难度与经济型的制约仅为90°左右,组合式聚光镜的包容角能达到110°～120°,使聚光效率达到80％左右。利用光学软件lighttools,获得在第二焦面处30 mm×30 mm范围的辐照情况,并与椭球镜相比较能量利用率提高了83.07%,比较参数如表2所示。

图6组合聚光镜的原理图

Fig.6Combination condenser schematic

图7组合式聚光系统的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2两种结构比较

Tab.2Comparison of two structures

类型辐通量/W光线数量辐照度最大值/(W•mm-2)能量利用率/％组合聚光镜3 484.895922 96811.78477.44椭球镜1 904.057494 3556.67042.30

4积分器的设计与优化

4.1积分器的设计原理积分器是太阳模拟器光学系统中匀光器件的核心。积分器主要由两块附加镜(附加镜Ⅰ、附加镜Ⅱ)和两组复眼透镜阵列组成。如图8所示即为积分器的理想模型成像关系,主要有两个成像关系,其一是光源经附加镜Ⅰ和前组复眼透镜分割成多个像并分别成像于后复眼透镜面上;其二是前复眼透镜组作为视场光阑,其各元素透镜经对应的后复眼透镜和附加镜Ⅱ叠加成像于辐照面上。通过将光源能量分割再叠加以及对称补偿的方式实现辐照面的均匀性［34］。

图8积分器设计原理图

Fig.8Integrator design principles

4.2积分器的设计优化积分器的优化主要根据其成像关系中像差的影响以及积分器设计中各位置的关系影响,利用Zemax的序列来优化像差的影响,利用Zemax的非序列功能来仿真优化位置关系的影响。主要优化以下方面:(1)由成像关系可知,后附加镜的球差将会影响叠加像的位置,这会影响对称位置的对称补偿的作用,且会使边缘成像模糊,均匀性下降,所以采用非球面的透镜。(2)由设计的公式知,后附加镜与后复眼透镜阵列的间距会影响光束发散角,即会影响光能利用率,故需通过序列优化来获得最佳间距。(3)复眼透镜最佳间距的优化,又称最佳离焦量的优化,由于像差及孔径的原因,理论计算的两组复眼透镜位置并不是最佳位置,通过非序列的建模仿真,可以得到一个最佳的间距。图9为积分器的非序列模型,图10分别为优化前后的辐照图。

图9积分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

图10优化前后的辐照图

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5准直镜的设计与仿真一般照明光学系统对像差的要求不严格,但是在精确准直式太阳模拟器中,由于有严格的视场角误差要求,所以须对像差进行相应的优化［57］。由于准直系统是小视场系统,对出射准直光束不平行度影响最大的是球差和色差,所以采取正负双分离的透镜组合进行校正。轴外像差对于准直角的影响较大,但是由于准直系统是小视场系统,双透镜组足以得到较好像差,图11为准直镜的优化设计图。

图11准直镜的优化设计

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太阳模拟器的总体仿真优化利用光学软件lighttools,对太阳模拟器进行总体建模,获得如图12所示模型。使用蒙特卡罗追击法对太阳模拟器进行仿真优化。主要优化以下几个方面：(1)氙灯灯弧长约10 mm,通过光学仿真的方式获得一个最佳的位置,同时也给机械设计调节装置提供了依据。(2)积分器作为整体在光学系统中的位置也需要通过仿真给出最佳位置。

图12太阳模拟器的模型图

Fig.12Solar simulator model diagram

图13辐照面均匀性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通过仿真可以看出,原始设计光路位置在实际的光学系统中并不一定是最佳位置。根据仿真分析的结果,选取氙灯及积分器的最佳位置,再次进行光学仿真,根据

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到辐照面的均匀性。最终辐照面的辐照度和均匀性如图13和表3所示。

表3辐照面的能量与均匀性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直径/mmΦ100Φ200Φ260Φ300辐照度最大值/(W•m-2)2 5592 5592 5592 559辐照度最小值/(W•m-2)2 4912 4762 4072 375均匀性/%1.21.63.063.73

7结论本文设计了一种能够同时满足模拟真实太阳福照度和太阳张角的太阳模拟器光学系统,利用光路计算和软件仿真相结合的方式来不断优化设计。提出了新的氙灯建模方式,新的高聚光效率的聚光系统,并提出了利用Zemax序列与非序列相结合积分器优化方式,最终利用lighttools的仿真来优化氙灯与积分器在光路中的最佳位置。通过仿真结果可以看出,辐照面的辐照度超过一个太阳常数(1 353 W/m2),并且辐照面Φ300 mm内不均匀性低于3.73％,达到较高的设计指标。

参考文献：

［1］刘洪波.太阳模拟技术［J］.光学精密工程,2001,9(2):177181.

［2］周崇喜,杜春雷.半导体激光器阵列光束准直和聚焦系统设计［J］.光学仪器,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］赵吉林,仲跻功,陈兴.TM3000A1太阳模拟器的研究［J］.太阳能学报,1981,2(4):417424.

［6］王素平,凌健博,刘立伟,等.一种应用于太阳仿真器的照明系统设计［J］.光电工程,2006,33(9):3234.

［7］张以谟.应用光学［M］.3版.北京:电子工业出版社,2008.

［8］张国玉,吕文华,贺晓雷,等.太阳模拟器辐照均匀性分析［J］.中国光学与应用光学,2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永财,李湘宁,等.一种适用于CPV的太阳模拟器的光学结构与分析［J］.光学仪器,2013,35(3):40

图6组合聚光镜的原理图

Fig.6Combination condenser schematic

图7组合式聚光系统的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2两种结构比较

Tab.2Comparison of two structures

类型辐通量/W光线数量辐照度最大值/(W•mm-2)能量利用率/％组合聚光镜3 484.895922 96811.78477.44椭球镜1 904.057494 3556.67042.30

4积分器的设计与优化

4.1积分器的设计原理积分器是太阳模拟器光学系统中匀光器件的核心。积分器主要由两块附加镜(附加镜Ⅰ、附加镜Ⅱ)和两组复眼透镜阵列组成。如图8所示即为积分器的理想模型成像关系,主要有两个成像关系,其一是光源经附加镜Ⅰ和前组复眼透镜分割成多个像并分别成像于后复眼透镜面上;其二是前复眼透镜组作为视场光阑,其各元素透镜经对应的后复眼透镜和附加镜Ⅱ叠加成像于辐照面上。通过将光源能量分割再叠加以及对称补偿的方式实现辐照面的均匀性［34］。

图8积分器设计原理图

Fig.8Integrator design principles

4.2积分器的设计优化积分器的优化主要根据其成像关系中像差的影响以及积分器设计中各位置的关系影响,利用Zemax的序列来优化像差的影响,利用Zemax的非序列功能来仿真优化位置关系的影响。主要优化以下方面:(1)由成像关系可知,后附加镜的球差将会影响叠加像的位置,这会影响对称位置的对称补偿的作用,且会使边缘成像模糊,均匀性下降,所以采用非球面的透镜。(2)由设计的公式知,后附加镜与后复眼透镜阵列的间距会影响光束发散角,即会影响光能利用率,故需通过序列优化来获得最佳间距。(3)复眼透镜最佳间距的优化,又称最佳离焦量的优化,由于像差及孔径的原因,理论计算的两组复眼透镜位置并不是最佳位置,通过非序列的建模仿真,可以得到一个最佳的间距。图9为积分器的非序列模型,图10分别为优化前后的辐照图。

图9积分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

图10优化前后的辐照图

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5准直镜的设计与仿真一般照明光学系统对像差的要求不严格,但是在精确准直式太阳模拟器中,由于有严格的视场角误差要求,所以须对像差进行相应的优化［57］。由于准直系统是小视场系统,对出射准直光束不平行度影响最大的是球差和色差,所以采取正负双分离的透镜组合进行校正。轴外像差对于准直角的影响较大,但是由于准直系统是小视场系统,双透镜组足以得到较好像差,图11为准直镜的优化设计图。

图11准直镜的优化设计

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太阳模拟器的总体仿真优化利用光学软件lighttools,对太阳模拟器进行总体建模,获得如图12所示模型。使用蒙特卡罗追击法对太阳模拟器进行仿真优化。主要优化以下几个方面：(1)氙灯灯弧长约10 mm,通过光学仿真的方式获得一个最佳的位置,同时也给机械设计调节装置提供了依据。(2)积分器作为整体在光学系统中的位置也需要通过仿真给出最佳位置。

图12太阳模拟器的模型图

Fig.12Solar simulator model diagram

图13辐照面均匀性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通过仿真可以看出,原始设计光路位置在实际的光学系统中并不一定是最佳位置。根据仿真分析的结果,选取氙灯及积分器的最佳位置,再次进行光学仿真,根据

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到辐照面的均匀性。最终辐照面的辐照度和均匀性如图13和表3所示。

表3辐照面的能量与均匀性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直径/mmΦ100Φ200Φ260Φ300辐照度最大值/(W•m-2)2 5592 5592 5592 559辐照度最小值/(W•m-2)2 4912 4762 4072 375均匀性/%1.21.63.063.73

7结论本文设计了一种能够同时满足模拟真实太阳福照度和太阳张角的太阳模拟器光学系统,利用光路计算和软件仿真相结合的方式来不断优化设计。提出了新的氙灯建模方式,新的高聚光效率的聚光系统,并提出了利用Zemax序列与非序列相结合积分器优化方式,最终利用lighttools的仿真来优化氙灯与积分器在光路中的最佳位置。通过仿真结果可以看出,辐照面的辐照度超过一个太阳常数(1 353 W/m2),并且辐照面Φ300 mm内不均匀性低于3.73％,达到较高的设计指标。

参考文献：

［1］刘洪波.太阳模拟技术［J］.光学精密工程,2001,9(2):177181.

［2］周崇喜,杜春雷.半导体激光器阵列光束准直和聚焦系统设计［J］.光学仪器,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］赵吉林,仲跻功,陈兴.TM3000A1太阳模拟器的研究［J］.太阳能学报,1981,2(4):417424.

［6］王素平,凌健博,刘立伟,等.一种应用于太阳仿真器的照明系统设计［J］.光电工程,2006,33(9):3234.

［7］张以谟.应用光学［M］.3版.北京:电子工业出版社,2008.

［8］张国玉,吕文华,贺晓雷,等.太阳模拟器辐照均匀性分析［J］.中国光学与应用光学,2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永财,李湘宁,等.一种适用于CPV的太阳模拟器的光学结构与分析［J］.光学仪器,2013,35(3):40

图6组合聚光镜的原理图

Fig.6Combination condenser schematic

图7组合式聚光系统的仿真

Fig.7Modular condenser system simulation

表2两种结构比较

Tab.2Comparison of two structures

类型辐通量/W光线数量辐照度最大值/(W•mm-2)能量利用率/％组合聚光镜3 484.895922 96811.78477.44椭球镜1 904.057494 3556.67042.30

4积分器的设计与优化

4.1积分器的设计原理积分器是太阳模拟器光学系统中匀光器件的核心。积分器主要由两块附加镜(附加镜Ⅰ、附加镜Ⅱ)和两组复眼透镜阵列组成。如图8所示即为积分器的理想模型成像关系,主要有两个成像关系,其一是光源经附加镜Ⅰ和前组复眼透镜分割成多个像并分别成像于后复眼透镜面上;其二是前复眼透镜组作为视场光阑,其各元素透镜经对应的后复眼透镜和附加镜Ⅱ叠加成像于辐照面上。通过将光源能量分割再叠加以及对称补偿的方式实现辐照面的均匀性［34］。

图8积分器设计原理图

Fig.8Integrator design principles

4.2积分器的设计优化积分器的优化主要根据其成像关系中像差的影响以及积分器设计中各位置的关系影响,利用Zemax的序列来优化像差的影响,利用Zemax的非序列功能来仿真优化位置关系的影响。主要优化以下方面:(1)由成像关系可知,后附加镜的球差将会影响叠加像的位置,这会影响对称位置的对称补偿的作用,且会使边缘成像模糊,均匀性下降,所以采用非球面的透镜。(2)由设计的公式知,后附加镜与后复眼透镜阵列的间距会影响光束发散角,即会影响光能利用率,故需通过序列优化来获得最佳间距。(3)复眼透镜最佳间距的优化,又称最佳离焦量的优化,由于像差及孔径的原因,理论计算的两组复眼透镜位置并不是最佳位置,通过非序列的建模仿真,可以得到一个最佳的间距。图9为积分器的非序列模型,图10分别为优化前后的辐照图。

图9积分器的非序列模型

Fig.9Nonseries model integrator

图10优化前后的辐照图

Fig.10Irradiation of before optimization and Optimized irradiation

5准直镜的设计与仿真一般照明光学系统对像差的要求不严格,但是在精确准直式太阳模拟器中,由于有严格的视场角误差要求,所以须对像差进行相应的优化［57］。由于准直系统是小视场系统,对出射准直光束不平行度影响最大的是球差和色差,所以采取正负双分离的透镜组合进行校正。轴外像差对于准直角的影响较大,但是由于准直系统是小视场系统,双透镜组足以得到较好像差,图11为准直镜的优化设计图。

图11准直镜的优化设计

Fig.11Optimal design of the collimating lens

6太阳模拟器的总体仿真优化利用光学软件lighttools,对太阳模拟器进行总体建模,获得如图12所示模型。使用蒙特卡罗追击法对太阳模拟器进行仿真优化。主要优化以下几个方面：(1)氙灯灯弧长约10 mm,通过光学仿真的方式获得一个最佳的位置,同时也给机械设计调节装置提供了依据。(2)积分器作为整体在光学系统中的位置也需要通过仿真给出最佳位置。

图12太阳模拟器的模型图

Fig.12Solar simulator model diagram

图13辐照面均匀性

Fig.13Irradiation nonuniformity results通过仿真可以看出,原始设计光路位置在实际的光学系统中并不一定是最佳位置。根据仿真分析的结果,选取氙灯及积分器的最佳位置,再次进行光学仿真,根据

σ=±Emax－EminEmax+Emin×100%(16)

可得到辐照面的均匀性。最终辐照面的辐照度和均匀性如图13和表3所示。

表3辐照面的能量与均匀性

Tab.3The energy and uniformity on irradiation surface

直径/mmΦ100Φ200Φ260Φ300辐照度最大值/(W•m-2)2 5592 5592 5592 559辐照度最小值/(W•m-2)2 4912 4762 4072 375均匀性/%1.21.63.063.73

7结论本文设计了一种能够同时满足模拟真实太阳福照度和太阳张角的太阳模拟器光学系统,利用光路计算和软件仿真相结合的方式来不断优化设计。提出了新的氙灯建模方式,新的高聚光效率的聚光系统,并提出了利用Zemax序列与非序列相结合积分器优化方式,最终利用lighttools的仿真来优化氙灯与积分器在光路中的最佳位置。通过仿真结果可以看出,辐照面的辐照度超过一个太阳常数(1 353 W/m2),并且辐照面Φ300 mm内不均匀性低于3.73％,达到较高的设计指标。

参考文献：

［1］刘洪波.太阳模拟技术［J］.光学精密工程,2001,9(2):177181.

［2］周崇喜,杜春雷.半导体激光器阵列光束准直和聚焦系统设计［J］.光学仪器,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］赵吉林,仲跻功,陈兴.TM3000A1太阳模拟器的研究［J］.太阳能学报,1981,2(4):417424.

［6］王素平,凌健博,刘立伟,等.一种应用于太阳仿真器的照明系统设计［J］.光电工程,2006,33(9):3234.

［7］张以谟.应用光学［M］.3版.北京:电子工业出版社,2008.

［8］张国玉,吕文华,贺晓雷,等.太阳模拟器辐照均匀性分析［J］.中国光学与应用光学,2009,2(1):4145.

［9］王瑜,沈永财,李湘宁,等.一种适用于CPV的太阳模拟器的光学结构与分析［J］.光学仪器,2013,35(3):40