本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽模擬器是在室內(nèi)模擬在不同大氣質(zhì)量條件下太陽光輻照特性的一種試驗(yàn)或定標(biāo)設(shè)備，可以用于模擬非集中和集中的太陽光輻射。前者的特征是在較大的輻照面積內(nèi)提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的太陽光輻照，主要用來測(cè)試太陽電池光伏特、設(shè)備定標(biāo)以及熱平衡試驗(yàn)等；后者的特征是在小輻照面積內(nèi)獲取極高且均勻的輻射通量，主要應(yīng)用于測(cè)試部件和材料的高熱特性和熱化學(xué)特性。高熱流密度聚焦光源屬于后者，是用來模擬高輻射強(qiáng)度的太陽光。

高熱流密度聚焦光源中的光學(xué)積分器主要用于接收焦平面上的高強(qiáng)度輻射，并在出光口提供一個(gè)高均勻性光束。目前光學(xué)積分器有兩種形式：復(fù)眼透鏡式和通道反射式。通道反射式光學(xué)積分器的光束均勻性是由光束通過光學(xué)積分器經(jīng)多次反射來實(shí)現(xiàn)的。通道的橫截面可以為圓形、正方形和三角形。

通道反射式光學(xué)積分器的設(shè)計(jì)主要考慮長(zhǎng)度和截面積兩個(gè)參數(shù)。長(zhǎng)度的選取基于系統(tǒng)對(duì)輻照均勻性的要求，通道越長(zhǎng)，反射次數(shù)越多，均勻性越好，輸出熱流量損失越多；截面積的選擇需要綜合考慮有效輻照面的大小和系統(tǒng)的能量利用率。通常情況下，設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度應(yīng)使聚光鏡邊緣光線在積分器內(nèi)部反射3次以上?？上雀鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)確定反射次數(shù)為3次，然后根據(jù)反射次數(shù)和入射角度算出通道長(zhǎng)度。

與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)是中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所設(shè)計(jì)的高倍聚光太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)。如圖1所示，包括氙燈光源1、橢球聚光鏡2、am1.5光譜濾光片3和光學(xué)積分器組件4。其中，光學(xué)積分器組件4為一鏤空的內(nèi)反射錐形立方體，由四部分組成，它的小開口后端為光束輸出端即有效輻照面。

該光學(xué)系統(tǒng)存在的主要問題是：高倍聚光太陽模擬器的橢球聚光鏡采用鎳基電鑄，因此橢球面形不是很理想，導(dǎo)致在第二焦點(diǎn)匯聚能量的效率較差，難以達(dá)到高輻照能量；其光學(xué)積分器組件采用有角度的錐形光通道，長(zhǎng)度較短，雜散光可以不經(jīng)積分器反射達(dá)到輻照面，造成輻照面均勻性不好；光學(xué)積分器組件結(jié)構(gòu)上采用的焊接結(jié)構(gòu)，變形大，對(duì)光學(xué)表面加工不利，光學(xué)膜層容易脫落，且焊縫加工容易漏水；光學(xué)積分器四塊組成部分結(jié)構(gòu)不同，不利于光學(xué)加工，且中心固定方式結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力和變形。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有光學(xué)積分器組件采用有角度的錐形光通道，長(zhǎng)度較短，雜散光可以不經(jīng)積分器反射達(dá)到輻照面，造成輻照面均勻性不好；且存在結(jié)構(gòu)變形大，對(duì)光學(xué)表面加工不利，光學(xué)膜層容易脫落以及焊縫加工容易漏水等問題，提供一種高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)。

高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)，包括氙燈光源、橢球聚光鏡和光學(xué)積分器組件，氙燈光源位于橢球聚光鏡的第一焦點(diǎn)處，所述光學(xué)積分器組件為鏤空的內(nèi)反射正方形通道，光學(xué)積分器組件由四個(gè)相同的組成部分構(gòu)成，每個(gè)組成部分均由積分器子塊、蓋板和密封圈構(gòu)成，所述積分器子塊通過密封圈蓋板連接，所述蓋板上設(shè)置進(jìn)水口與出水口，形成獨(dú)立的水通道；每個(gè)組成部分尖端的光學(xué)面相對(duì)應(yīng)，每個(gè)積分器子塊的一側(cè)設(shè)置突出的卡位，每個(gè)組成部分的邊緣均通過所述積分器子塊上突出的卡位連接安裝；

所述光學(xué)積分器組件前端開口位于橢球聚光鏡的第二焦面，氙燈光源發(fā)出的光輻射通量經(jīng)橢球聚光鏡反射并以設(shè)計(jì)的包容角匯聚后投影到橢球聚光鏡的第二焦面上，形成小范圍的匯聚光束；所述小范圍匯聚光束進(jìn)入光學(xué)積分器組件的內(nèi)反射正方形通道，經(jīng)所述正方形通道內(nèi)部反射面反射后，在光學(xué)積分器組件后端的出口處形成均勻且高能量的光束輻照面。

本發(fā)明的積極效果：本發(fā)明所述的聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)，氙燈光源發(fā)出的光，經(jīng)橢球聚光鏡反射后，以給定的包容角匯聚于光學(xué)積分器組件的前端開口，具有一定匯聚角的光線進(jìn)入光學(xué)積分器組件后，在其內(nèi)部的反射次數(shù)隨入射角度不同而變化，不同角度的光線充分混合，出口目標(biāo)面上每一點(diǎn)的光強(qiáng)來自光源不同角度光的積分，從而形成較為均勻分布的輻照面。

本發(fā)明所述的聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)能夠形成具有更高輻照能量(10mw/m²)且分布更均勻(±2％)的有效輻照面。橢球聚光鏡采用硬鋁直接加工成型，光學(xué)面采用單點(diǎn)金剛石車刀精車，面形精度好，匯聚效率高；光學(xué)積分器采用直通道形式，均勻性好；結(jié)構(gòu)上不采用焊接，拆卸方便、不變形、不漏水，光學(xué)表面易加工，一致性好；連接方式采用首尾連接，定位準(zhǔn)確，連接穩(wěn)定可靠。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的高倍聚光太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明中的光學(xué)積分器組件的正視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖3的剖切結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為光學(xué)積分器組成組件中積分器子塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為光學(xué)積分器組成組件中積分器子塊與蓋板的連接關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合圖2至圖7說明本實(shí)施方式，高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)，包括氙燈光源1、橢球聚光鏡2和光學(xué)積分器組件4，其中，光學(xué)積分器組件4如圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，包括積分器子塊5、蓋板6和密封圈7，光學(xué)積分器組件4由相同的四部分組成，每個(gè)組成部分由一個(gè)積分器子塊5、一個(gè)蓋板6和一個(gè)密封圈7構(gòu)成，形成獨(dú)立的水通道。在每個(gè)蓋板6上設(shè)置進(jìn)水口a與出水口b；四部分尖端的光學(xué)面c相對(duì)，每個(gè)積分器子塊5的一側(cè)設(shè)置突出的卡位8，通過積分器子塊5一側(cè)突出的卡位8首尾連接安裝，形成光學(xué)積分器組件4的正方形光通道，如圖5所示。

所述氙燈光源1位于橢球聚光鏡2的第一焦點(diǎn)處，光學(xué)積分器組件4為一鏤空的內(nèi)反射正方形通道，其前端開口位于橢球聚光鏡2的第二焦面后附近。氙燈光源1發(fā)出的光輻射通量，經(jīng)橢球聚光鏡2反射并以設(shè)計(jì)的包容角(50°～110°)匯聚，投影到橢球聚光鏡2的第二焦面上，形成一個(gè)直徑6mm的輻照分布；這個(gè)直徑6mm的匯聚光束進(jìn)入光學(xué)積分器組件4的內(nèi)反射正方通道內(nèi)，經(jīng)3次在其內(nèi)部反射面上的反射，在光學(xué)積分器組件4后端開口端出口處形成均勻且高能量的光束輻照面。

本實(shí)施方式所述的橢球聚光鏡2材料采用鋁7075，光學(xué)表面粗加工之后，在數(shù)控加工中心用高精度單點(diǎn)金剛石車刀精車到位，然后直接鍍鋁反射膜和二氧化硅保護(hù)膜；光學(xué)積分器組件4材料均采用鋁7075，積分器子塊5和蓋板6通過數(shù)控加工中心加工成型，光學(xué)表面加工后鍍鎳層，之后細(xì)磨拋光，最后鍍鋁反射膜和二氧化硅保護(hù)膜；密封圈7采用硅橡膠o型密封圈。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
高熱流密度聚焦光源光學(xué)系統(tǒng)，涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有光學(xué)積分器組件采用有角度的錐形光通道，長(zhǎng)度較短，雜散光可以不經(jīng)積分器反射達(dá)到輻照面，造成輻照面均勻性不好；且存在結(jié)構(gòu)變形大，對(duì)光學(xué)表面加工不利，光學(xué)膜層容易脫落以及焊縫加工容易漏水等問題，光學(xué)積分器組件前端開口位于橢球聚光鏡的第二焦面，氙燈光源發(fā)出的光輻射通量經(jīng)橢球聚光鏡反射并以設(shè)計(jì)的包容角匯聚后投影到橢球聚光鏡的第二焦面上，形成小范圍的匯聚光束；所述小范圍匯聚光束進(jìn)入光學(xué)積分器組件的內(nèi)反射正方形通道，經(jīng)正方形通道內(nèi)部反射面反射后，在光學(xué)積分器組件后端的出口處形成均勻且高能量的光束輻照面。本發(fā)明的光學(xué)積分器組件采用直通道形式，均勻性好。

技術(shù)研發(fā)人員：高雁;劉洪波;陳家奇;王麗;顧國超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.30
技術(shù)公布日：2017.08.25