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专利号: 2020103970768
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 光学
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征是:该方法由以下步骤实现:步骤一、确定衰减器形状及安装位置;

设计呈圆板形状的衰减器,所述衰减器上具有多个不均匀分布的透光圆孔,将所述衰减器置于氙灯光源太阳模拟器的椭球面聚光镜与光学积分器之间;

步骤二、利用光学扩展量对衰减器进行理论分析,确定通光面积;衰减器总面积为所在位置光束截面面积,根据目标面辐照度衰减率确定通光圆孔总面积;

步骤三、采用环带法计算衰减器的辐照分布,将椭球面聚光镜的反射面根据光线入射角度分为若干环带,先分析光线经某一环带反射后会聚在衰减器半径为Ri的辐照面的辐射通量,再将所有环带所提供的辐射通量求和,得出半径Ri的辐照面的辐射通量 获得辐照面内以圆环分布的辐照度;根据辐照分布对各圆环内的通光圆孔面积进行分配,具体设计衰减器的结构参数,完成所述衰减器的设计。

2.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征在于:所述衰减器的几何中心位于光轴上,整体面积应能覆盖当前位置辐射通量,部分光透过,部分遮挡;

采用钢架结构将衰减器固定在椭球面聚光镜出光口250mm处。

3.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征在于:步骤二的具体过程为:光学扩展量定义为:

U=n2∫∫cosθdAdΩ

式中,n为介质中的折射率,θ角是微元面积dA的法线与微元立体角dΩ的中心轴的夹角,在球坐标系下定义法线为z轴;

微元立体角dΩ计算公式如下:

式中,为在球坐标系下微元面积dA的法线在xOy平面的投影线与x轴之间的方位角;

氙灯光源太阳模拟器中采用椭球面聚光镜对氙灯聚光,空间折射率n=1,将椭球面聚光镜出光口平面作为一个面光源,则对于从任意角度内反射的光,经过所述面光源出射,获得椭球面聚光镜的光学扩展量U1,计算公式为:式中,A1为面光源发光面积;

将所述衰减器作为辐照面,根据光学扩展量守恒U1=U2,则衰减器处的辐照度E计算公式为:式中,L为面光源辐照度,A2为衰减器有效光照面积,U2为衰减器处光学扩展量;

将所述衰减器出射面作为一个面光源,积分器入光口作为接收面,则接收面上的辐照度E′计算公式为:式中,A3为积分器入光口接收辐照面积;

根据所述衰减器的半径以及设定的衰减率,则通光圆孔总面积计算公式为:A=αA2

式中,A为通光圆孔总面积,α为衰减率。

4.根据权利要求1所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征在于:步骤三的具体实现过程为:将衰减器以不同半径划为若干同心圆,其面上半径Ri到半径Ri-1环带内的辐照度Ei计算公式为:以入射角度u从椭球面聚光镜的反射面上划出一个环带,u1、u2为此环带上的起始角和终止角,u=(u1+u2)/2;

将氙灯辐射亮度分布分为若干个基元面,设定第x个基元发光面的法向辐射亮度为Nx,在入射角度u上的辐射亮度为Nx(u),其法向方向的面积为Sx;所述基元面发出的光线经过入射角度u对应的环带落入辐照面半径为Ri的区域内的辐射通量 的计算公式为:式中, 为各基元发光面对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量;

tu为与椭球面聚光镜光轴成u角的方向上辐射强度Iu与法向辐射强度I0之比;

tu计算公式如下:

式中,β为u角方向与法向的夹角;

则u角所对应的环带对于半径为Ri的辐照面提供的辐射通量 计算公式如下:半径为Ri的辐照面全部辐射通量 为各个环带所输出的辐射通量之和,计算公式如下:同理,计算整个辐照面的辐射通量Fi(all),获得的Fi(Ri)与Fi(all)均为相对数,求两数之比;

利用椭球面聚光镜的聚光率获得辐照面整体辐射通量绝对数,根据比例关系得出半径Ri的辐照面内的辐射通量绝对数;对不同的Ri,计算获得不同的 即获得辐照面内以圆环分布的辐照度。

5.根据权利要求4所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征在于,设定所述衰减器半径为130mm,以半径间隔30mm将其划分为4个环带,计算获得所述衰减器4个环带从内到外各自的辐照度E1、E2、E3、E4。

6.根据权利要求5所述的一种氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器的设计方法,其特征在于,还包括对4个环带内的通光圆孔面积进行分配;

所述4个环带上经通光圆孔被目标面接收的光的光通量相等,计算公式如下:E1a=E2b=E3c=E4d

式中,a、b、c、d为4个环带从内到外所分配的通光圆孔面积;

4个环带所分配的通光圆孔面积之和为衰减器通光圆孔总面积,计算公式为:a+b+c+d=A。