[发明专利]高热流密度聚焦光源光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种高热流密度聚焦光源光学系统。

背景技术

太阳模拟器是在室内模拟在不同大气质量条件下太阳光辐照特性的一种试验或定标设备，可以用于模拟非集中和集中的太阳光辐射。前者的特征是在较大的辐照面积内提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的太阳光辐照，主要用来测试太阳电池光伏特、设备定标以及热平衡试验等；后者的特征是在小辐照面积内获取极高且均匀的辐射通量，主要应用于测试部件和材料的高热特性和热化学特性。高热流密度聚焦光源属于后者，是用来模拟高辐射强度的太阳光。

高热流密度聚焦光源中的光学积分器主要用于接收焦平面上的高强度辐射，并在出光口提供一个高均匀性光束。目前光学积分器有两种形式：复眼透镜式和通道反射式。通道反射式光学积分器的光束均匀性是由光束通过光学积分器经多次反射来实现的。通道的横截面可以为圆形、正方形和三角形。

通道反射式光学积分器的设计主要考虑长度和截面积两个参数。长度的选取基于系统对辐照均匀性的要求，通道越长，反射次数越多，均匀性越好，输出热流量损失越多；截面积的选择需要综合考虑有效辐照面的大小和系统的能量利用率。通常情况下，设计的长度应使聚光镜边缘光线在积分器内部反射3次以上。可先根据经验确定反射次数为3次，然后根据反射次数和入射角度算出通道长度。

与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计的高倍聚光太阳模拟器光学系统。如图1所示，包括氙灯光源1、椭球聚光镜2、AM1.5光谱滤光片3和光学积分器组件4。其中，光学积分器组件4为一镂空的内反射锥形立方体，由四部分组成，它的小开口后端为光束输出端即有效辐照面。

该光学系统存在的主要问题是：高倍聚光太阳模拟器的椭球聚光镜采用镍基电铸，因此椭球面形不是很理想，导致在第二焦点汇聚能量的效率较差，难以达到高辐照能量；其光学积分器组件采用有角度的锥形光通道，长度较短，杂散光可以不经积分器反射达到辐照面，造成辐照面均匀性不好；光学积分器组件结构上采用的焊接结构，变形大，对光学表面加工不利，光学膜层容易脱落，且焊缝加工容易漏水；光学积分器四块组成部分结构不同，不利于光学加工，且中心固定方式结构易产生应力和变形。

发明内容

本发明为解决现有光学积分器组件采用有角度的锥形光通道，长度较短，杂散光可以不经积分器反射达到辐照面，造成辐照面均匀性不好；且存在结构变形大，对光学表面加工不利，光学膜层容易脱落以及焊缝加工容易漏水等问题，提供一种高热流密度聚焦光源光学系统。

高热流密度聚焦光源光学系统，包括氙灯光源、椭球聚光镜和光学积分器组件，氙灯光源位于椭球聚光镜的第一焦点处，所述光学积分器组件为镂空的内反射正方形通道，光学积分器组件由四个相同的组成部分构成，每个组成部分均由积分器子块、盖板和密封圈构成，所述积分器子块通过密封圈盖板连接，所述盖板上设置进水口与出水口，形成独立的水通道；每个组成部分尖端的光学面相对应，每个积分器子块的一侧设置突出的卡位，每个组成部分的边缘均通过所述积分器子块上突出的卡位连接安装；

所述光学积分器组件前端开口位于椭球聚光镜的第二焦面，氙灯光源发出的光辐射通量经椭球聚光镜反射并以设计的包容角汇聚后投影到椭球聚光镜的第二焦面上，形成小范围的汇聚光束；所述小范围汇聚光束进入光学积分器组件的内反射正方形通道，经所述正方形通道内部反射面反射后，在光学积分器组件后端的出口处形成均匀且高能量的光束辐照面。

本发明的积极效果：本发明所述的聚焦光源光学系统，氙灯光源发出的光，经椭球聚光镜反射后，以给定的包容角汇聚于光学积分器组件的前端开口，具有一定汇聚角的光线进入光学积分器组件后，在其内部的反射次数随入射角度不同而变化，不同角度的光线充分混合，出口目标面上每一点的光强来自光源不同角度光的积分，从而形成较为均匀分布的辐照面。

本发明所述的聚焦光源光学系统能够形成具有更高辐照能量(10MW/m²)且分布更均匀(±2％)的有效辐照面。椭球聚光镜采用硬铝直接加工成型，光学面采用单点金刚石车刀精车，面形精度好，汇聚效率高；光学积分器采用直通道形式，均匀性好；结构上不采用焊接，拆卸方便、不变形、不漏水，光学表面易加工，一致性好；连接方式采用首尾连接，定位准确，连接稳定可靠。

附图说明

图1为现有技术的高倍聚光太阳模拟器光学系统的示意图；

图2为本发明所述的高热流密度聚焦光源光学系统示意图；