摘要：大口径发散式太阳模拟器是月球轨道交会对接半物理仿真试验系统中的重要设备，要求能够实现对安装在追踪运动模拟器上测量敏感器持续跟踪照射，用以模拟太阳光辐射以及目标飞行器表面结构及材料的反光特性对测量敏感器的干扰情况。因此需要研究均匀照明基础理论，同时基于太阳模拟器光学系统的基本组成形式，以期实现远距离、大辐照面积、高均匀的太阳辐射模拟，实现空间均匀分布的照明。
关键词：太阳模拟器；辐照面积；照明；模型
1.基本均匀照明方式
均匀照明系统的工作原理是通过对光源发出的能量进行调制，使之分布成为一定形状的均匀光斑，太阳模拟器光学系统是一种复杂均匀照明系统，其实质也是对光源辐照强度重新分布的过程，辐照面上形成均匀的照明。
1.1.临界均匀照明形式
临界均匀照明是一种光源经过汇聚光学系统直接成像于照明平面附近的照明方式。由于汇聚光学系统像方孔径角决定了其成像光束的孔径角，因此可以通过调节光阑的大小来调节汇聚光学系统成像光束孔径角。
若想实现较高均匀性的照明条件，临界均匀照明除了要求光源本身尽可能的发光均匀外，还要求照明平面与光源的像之间有一定的离焦量，临界均匀照明所成的像要大于被照明物体的面积。
1.2柯勒均匀照明形式
柯勒均匀照明形式主要由两组光学系统以及两个光阑组成。相较于临界均匀照明形式，柯勒均匀照明形式能消除光源与照明平面之间的耦合关系，得到与光源本身特性无关的均匀照度分布。
在柯勒均匀照明形式中，通常采用增大聚光系统物方孔径角的方法来提高光源的能量利用率，但是随着物方孔径角的增大，照明系统视场边缘照度也随之降低，限制了柯勒均匀照明形式的均匀性。
2.光束均匀化方法
太阳模拟器光学系统和一般均匀照明系统不尽相同，除了应考虑在满足一定的均匀照明面积基础上提高系统的能量利用率的同时，还需要考虑出射光的辐照强度与角度特性，故上述两种均匀照明形式已无法满足太阳模拟器高效率与高均匀性的照明需求，因此需要开展光束均匀化方法的研究。目前对光束均匀化控制的主要方法分为剪裁法和重叠法两种。在太阳模拟器光学系统设计中主要应用重叠法来保证其均匀性。
2.1匀光棒式均匀照明方法
匀光棒式均匀照明方法原理是光线通过匀光棒内侧的多次反射来“混合”光线以实现在出射端处照度均匀分布。同时，匀光棒的截面符合镜像排布条件，即截面形状经过任意边进行任意次数的翻转后能够形成无空隙区域时，才具有较好的匀光效果。同时，匀光棒的匀光效果还与光束在其内部的反射次数有关，反射次数越多，匀光效果越好。而反射次数则与匀光棒的长度、折射率、光线入射角度与截面尺寸等相关。匀光棒的有效口径越大、折射率越高以及长度越长，光线在匀光棒内的反射次数越多，匀光棒的匀光效果越好。
2.2复眼透镜阵列均匀照明方法
复眼透镜阵列均匀照明是柯勒均匀照明的一种改进型式，其原理在于利用元素透镜通道将入射光束分割成为一系列小光束，然后将这些光束叠加照射在照明平面上，即将入射的光能进行微分与积分，从而实现了在照明平面上的均匀辐照效果。复眼透镜阵列均匀照明主要有单一复眼透镜阵列以及双排复眼透镜阵列两种形式。
（1）单一复眼透镜阵列
由于单一复眼透镜阵列会将近似于准直入射光转变为带有角度的出射光，因此增加光束的光学扩展量，同时当入射光束为非准直形式时，单一复眼透镜阵列会有较多能量落在均匀区域外，造成光能损失。因此，单一复眼透镜阵列对于扩散角较大的入射光束只能起到有效的均匀照明作用，能够有效减少元素透镜镜面曲率不连续的情况，降低单一复眼透镜阵列的光能损失。单一复眼透镜阵列光学原理如图1.2所示。
.png)
a） b）
图1.2 单一复眼透镜阵列光学原理
a）准直入射光 b）带有角度入射光
（2）双排复眼透镜阵列
双排复眼透镜阵列由两组单一复眼透镜阵列组成，两组单一复眼透镜阵列对应的元素透镜形成了柯勒均匀照明系统，可以有效的减小单一复眼透镜阵列中非准直光的能量损失，其双排复眼透镜阵列光学原理如图1.3所示。
.png)
图1.3 双排复眼透镜阵列光学原理
光源上一点发出的光束经准直系统后在双排复眼透镜阵列通光口径内所形成一定的照度分布，通过前组透镜阵列将入射宽光束细分为多束细光束，然后由投影系统将不同角度的平行光束投射于辐照面上，此时由于光学系统的旋转对称使得各个通道光束的细微不均匀性互相叠加补偿，从而使得双排复眼透镜阵列辐照面均匀性显著地优于单一复眼透镜阵列。
3.结束语
大口径发散式太阳模拟器相较于一般太阳模拟器具有更远的工作距离与更大的辐照面积，因此需要在同轴准直式太阳模拟光学系统基础上，利用均匀照明方法进一步优化大辐照面积发散光学系统，提升大辐照面积发散光学系统的能量利用率，复眼透镜阵列更优。
参考文献：
[1] Wu R , Zheng Z , Li H , et al. Freeform lens for off-axis illumination in optical lithography system[J]. Optics Communications, 2011,方法 284(12):2662-2667.
[2] 郑臻荣, 孙旭涛, 缪盈盈, 等. 应用泽尼克多项式自由曲面的成像物镜设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2008, 42(12):2202-2206.
[3] Kanayama H , Maeda M , Miwa T , et al. Ultra small projector with high efficiency illumination system[C]// Consumer Electronics, 2006. ICCE '06. 2006 Digest of Technical Papers. International Conference on. IEEE, 2006.