一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置的制作方法

1.本公开一般涉及航天器紫外辐照试验技术领域，具体涉及一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置。


背景技术：

2.在航天领域中，为保证航天器能够在空间环境中正常工作，需要在发射前进行一系列空间环境模拟试验。其中，紫外辐照试验是关键试验项目之一。在真空环境中，没有地球大气层的保护，航天器长期暴露在紫外辐照条件下，很多部件可能会产生损坏、形变和老化等问题，会对航天器的运行产生影响。为准确模拟出空间紫外辐照环境，需要相应的模拟设备，即紫外辐照源。
3.目前，广泛应用的积分棒式紫外辐照源，通常通过反射式光路，使用椭球面聚光镜，将光源放在反射面所在椭球面的其中一个焦点上，光源发出的光经过反射后会聚到另一个焦点上，同时将积分棒一端端面中心放置于另一焦点处，使会聚光线经积分棒均匀传递到另一端面，随后经过光学成像系统，最终发射出符合紫外辐照源要求的光线。为加速老化实验，紫外辐照源通常要提供数倍太阳常数的照射，并且成像镜组通常要成一个放大多倍的实像，使得积分棒处的能量密度更是高出许多倍。因此，采用椭球聚光镜，积分棒入射端中心又是所有能量会聚的焦点，能量过于集中，导致积分棒端面很容易受到损伤。在实际使用中，微小的灰尘或瑕疵都会使积分棒端面被聚焦光线损坏，影响光线传输效果，降低设备寿命。因此，我们提出一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置，用以解决上述的聚焦光斑分布集中，积分棒端面中心区承受能量密度极大，导致积分棒端面损伤的可能性大大增加，若端面表面存在细微颗粒干扰，积分棒端面极易被能量烧化、入侵，并且后续的紫外辐照源输出功率降低，性能迅速下降的问题。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种改善聚焦光斑分布方式，降低积分棒入射端面损伤概率，提升太阳模拟器系统的稳定性与寿命，结构简单且易于实现的聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置。
5.第一方面，本技术提供一种聚光镜，包括：
6.聚光镜本体，其具有位于中心的平面非反射区和与所述平面非反射区边沿连接的环状球面反射区；
7.所述环状球面反射区内壁上沿所述平面非反射区的法线方向依次交替设有具备第一曲率半径的第一环区和具备第二曲率半径的第二环区；
8.所述第一环区与所述第二环区具备相同的第一焦点；
9.光源自所述第一焦点发射的光线经过所述第一环区的反射汇聚至第二焦点处，且其经过所述第二环区的反射汇聚至第三焦点处。
10.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第一焦点、所述第二焦点和所述第三焦
点均位于所述平面非反射区的法线方向上。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，所述环状球面反射区靠近所述平面非反射区一侧的直径为66mm，且其远离所述平面非反射区一侧的直径为250mm。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第一环区的曲率半径为87.2mm，且所述第二环区的曲率半径为87.8mm。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第二焦点处的光线能量与所述第三焦点处的光线能量相等，且二者之和等于所述光源发射的光线总能量。
14.第二方面，本技术提供一种用于太阳模拟器的紫外辐照装置，包括：
15.上述的一种聚光镜；
16.光源装置，其设置在所述第一焦点处；
17.在所述光源装置发射光线时，光线经所述第一环区反射汇聚至所述第二焦点处，且其经所述第二环区反射汇聚至所述第三焦点处；所述第二焦点与所述第三焦点相邻设置，且所述第二焦点相对靠近所述第一焦点；
18.积分棒，其入射端面位于所述第二焦点与所述第三焦点连线的中线处，且所述入射端面与所述平面非反射区的法线垂直设置。
19.根据本技术实施例提供的技术方案，所述光源装置为球形汞氙灯。
20.综上所述，本技术方案具体地公开了一种聚光镜的具体结构。本技术具体地设计聚光镜本体，其具有位于中心的平面非反射区与与平面非反射区边沿连接的环状球面反射区，通过在环状球面反射区内壁上沿平面非反射区法线方向依次交替设置第一环区与第二环区，并且二者具备相同的第一焦点，光源自第一焦点发射光线，光线经第一环区反射汇聚至第二焦点，经第二环区反射汇聚至第三焦点，使得光线能量均匀分布在两个焦点，使得反射后的聚焦光斑均匀化，改善聚焦光斑分布方式。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为传统太阳模拟器中积分棒入射端面聚焦光斑功率密度分布示意图。
23.图2为一种聚光镜及用于太阳模拟器的紫外辐照装置的结构示意图。
24.图3为本紫外辐照装置中积分棒入射端面聚焦光斑功率密度分布示意图。
25.图4为传统太阳模拟器中积分棒出射端面光斑功率密度分布曲线示意图。
26.图5为本紫外辐照装置中积分棒出射端面光斑功率密度分布曲线示意图。
27.图中标号：1、聚光镜本体；2、光源装置；3、积分棒；4、第一环区；5、第二环区；6、第二焦点；7、第三焦点；8、入射端面。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
30.实施例一
31.请参考图2所示的本技术提供的一种聚光镜的结构示意图，包括：
32.聚光镜本体1，其具有位于中心的平面非反射区和与所述平面非反射区边沿连接的环状球面反射区；
33.所述环状球面反射区内壁上沿所述平面非反射区的法线方向依次交替设有具备第一曲率半径的第一环区4和具备第二曲率半径的第二环区5；
34.所述第一环区4与所述第二环区5具备相同的第一焦点；
35.光源自所述第一焦点发射的光线经过所述第一环区4的反射汇聚至第二焦点6处，且其经过所述第二环区5的反射汇聚至第三焦点7处。
36.在本实施例中，如图2所示，聚光镜本体1，其具有位于中心的平面非反射区与与平面非反射区边沿连接的环状球面反射区；平面非反射区对光线无反射作用；第一环区4与第二环区5，依次交替设置在环状球面反射区内壁上沿平面非反射区的法线方向，用于反射光源发出的光线；
37.此处，第一环区4与第二环区5具备相同的第一焦点，即相当于传统聚光镜中光源放置的焦点，光源可自第一焦点发射光线，光线经第一环区4的反射汇聚至第二焦点6处，光线经第二环区5的反射汇聚至第三焦点7处，将光线分别汇聚在两个焦点处，并且，第二焦点6处的光线能量与第三焦点7处的光线能量相等，且二者之和等于光源装置2发射的光线总能量，使得反射后的聚焦光斑均匀化。
38.并且，第一焦点、第二焦点6和第三焦点7均位于平面非反射区的法线方向上；
39.进一步地，对每个环区进行打磨，使得相同环区具备统一的弯曲程度，即每个第一环区4均具有相同的第一曲率半径；每个第二环区5均具有相同的第二曲率半径；使得相同曲率半径的环区在反射光线时，可将光线汇聚至相应的同一焦点处。
40.进一步地，第一环区4与第二环区5的排布方式，例如，如图2所示的将第一环区4置于相对靠近平面非反射区的位置，第二环区5则与此第一环区相邻设置，二者在平面非反射区的法线方向依次交替设置。
41.实施例二
42.请参考图2所示的本技术提供的一种用于太阳模拟器的紫外辐照装置的结构示意图，包括：
43.实施例一中的一种聚光镜；
44.光源装置2，其设置在所述第一焦点处；
45.在所述光源装置2发射光线时，光线经所述第一环区4反射汇聚至所述第二焦点6处，且其经所述第二环区5反射汇聚至所述第三焦点7处；所述第二焦点6与所述第三焦点7相邻设置，且所述第二焦点6相对靠近所述第一焦点；
46.积分棒3，其入射端面8位于所述第二焦点6与所述第三焦点7连线的中线处，且所述入射端面8与所述平面非反射区的法线垂直设置。
47.在本实施例中，以传统的椭球面聚光镜为例，将光源放在反射面所在椭球面的其中一个焦点上，光源发出的光经过反射后会聚到另一个焦点上，同时将积分棒一端端面中心放置于另一焦点处，使会聚光线经积分棒均匀传递到其另一端面，随后经过光学成像系
统，最终发射出符合紫外辐照源要求的光线，其中，椭球面聚光镜的参数，如表1所示，其口径为250mm，其底孔直径为66mm，其曲率半径为87.5mm，其圆锥曲面系数为
‑
0.5625；
48.表1传统聚光镜参数
[0049][0050]
如图1所示，为利用传统聚光镜传输光线时，传统太阳模拟器中积分棒入射端面聚焦光斑功率密度分布情况，可以看出光源经单一焦点的聚光镜反射汇聚后，聚焦光斑分布集中，光斑功率密度峰值较大。
[0051]
基于传统的聚光镜，重新设计聚光镜反射面的面形，保留原有光线传输功能的基础上，利用多重结构代替传统的单一结构；
[0052]
如图2所示，本实施例具有实施例一所述的一种聚光镜；将光源装置2，设置在第一焦点处，作为发光源；此处，光源装置2的类型，例如为球形汞氙灯；
[0053]
积分棒3，其入射端面8设置在第二焦点6与第三焦点7连线的中线处，且其与平面非反射区的法线垂直设置，经第一环区4与第二环区5反射后的光线由入射端面8进入积分棒3内，经积分棒3进行多次反射，最终在其出光端面形成均匀光源；
[0054]
具体地，如表2所示，本实施例的聚光镜的口径与底孔直径的选取与传统聚光镜的参数一致，第一曲率半径选取为87.2mm，第二曲率半径选取为87.8mm；
[0055]
表2本实施例聚光镜参数
[0056][0057]
利用球形汞氙灯发射发散光线，光线经第一环区4反射汇聚至第二焦点6处，且其经第二环区5反射汇聚至第三焦点7处，此时如图2所示，第二焦点6与第三焦点7相邻设置，且第二焦点6相对靠近第一焦点；两个焦点处的光线由入射端面8进入积分棒3，利用积分棒3对反射后的光线进行多次反射，最终在其出光端面形成均匀光源；均匀光源再经成像镜组成像至指定距离的照明面上，最终形成符合紫外辐照均匀光斑。
[0058]
并且，如图3所示，本方案中积分棒3的入射端面8的聚焦光斑分布更加均匀，峰值功率密度也更低，在能量传输效率不变的情况下，使得聚焦光斑均匀分布，以避免积分棒3受损。
[0059]
如图4、图5所示，使用传统聚光镜与使用本方案的聚光镜分别模拟紫外辐照环境时，两种模拟试验中的积分棒3的出射端面的出射功率密度分布基本相同，可以看出，本方案重新设计的聚光镜以及紫外辐照装置可以实现原有光线传导，因此，本聚光镜以及紫外辐照装置在改善光线传输过程，均匀分布聚焦光斑，降低积分棒受损率的同时保证了能量传输效率。
[0060]
进一步地，如表3所示，本方案聚光镜相较于传统聚光镜，其积分棒入射端面的光斑峰值功率密度下降约40％；光斑直径变大，50％功率密度光斑直径增加约56％，达到了很好的匀化效果，因此，此种聚光镜结构以及用于太阳模拟器的紫外辐照装置，可降低积分棒损伤概率，有效提升系统整体稳定性。
[0061]
表3传统椭球面聚光镜与本方案聚光镜聚焦光斑的对比
[0062][0063]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。