高度準直的太陽模擬器，具有自動移動光束角移動

Highly Collimated Solar Simulator with automated beam angle movement

太陽模擬器是為美國國家航天局開發(fā)的。該機構有一系列需要進行太陽模擬的項目，而當一個有嚴格要求的新項目出現(xiàn)時，他們便與Sciencetech聯(lián)絡，以提供一個高度的太陽模擬系統(tǒng)。

客戶要求

幾年前，該客戶一些成員具有使用Sciencetech高度準直的太陽能模擬器之一的動手經(jīng)驗。對于在發(fā)射之前測試其衛(wèi)星傳感器的新項目，他們需要此太陽能模擬器更大，更復雜的版本。他們聯(lián)系了Sciencetech公司，詢問我們是否可以提供一個在輻照度，準直角和光譜匹配方面與太陽極為接近的太陽模擬器。

此外，他們希望自動化以X，Y，Z和2個旋轉??角度來操縱太陽能模擬器。初的討論考慮了幾種自動化實施方式，初的工程分析確定了氙氣短弧燈的物理局限性使其很難滿足所需的準直規(guī)范以及其他標準。Sciencetech確定了實現(xiàn)重要規(guī)格的方法，并將其介紹給客戶。準則和標準獲得批準，Sciencetech啟動了該項目的設計。

準直全角：0.69°內(nèi)90％功率

目標尺寸：直徑33cm

空間非均勻性：2.95％（*）

時間不穩(wěn)定：1.5％（*）

強度：1366W/m²（AM0光譜匹配）

衰減強度：1.366W/m²（衰減至0.1％）

輸出方向：臥式

構思和設計系統(tǒng)

在設計過程中，我們結合了光學建模和數(shù)學分析的方法來解決多方面的挑戰(zhàn)，即如何制作具有大目標面積，比光譜匹配和發(fā)散角接近太陽的高度均勻且強度高的光源。

光源的光線追跡路徑

光學設計結構

橢圓形的后反射器收集了大部分的燈發(fā)射，并聚焦到均勻的光導管中。該光導管通過全內(nèi)反射引導光，許多反射用于混合光線，從而使輸出更加均勻。一系列的透鏡和轉向鏡用于將光引導到準直鏡，準直鏡反射光以形成近乎平行的光線，從而在目標平面產(chǎn)生高輻照度和低光束發(fā)散度。

太陽模擬器的輸出光譜與AM0光譜的關系

光學模擬軟件模擬目標區(qū)域上的輻照度分布

自動運動控制的機械設計

我們的客戶需要整個太陽能模擬器在5個軸（X，Y和Z）以及2個旋轉軸上進行自動運動。此外，整個系統(tǒng)需要在無塵室內(nèi)運行，因此必須隔離太陽能模擬器的空氣冷卻系統(tǒng)。

為了滿足這些自動化目標，Sciencetech設計了一個自動化的機械平臺和定制軟件，并提供了特殊的冷卻設計，儀器組件和外殼設計來滿足這些需求。

電動運動系統(tǒng)已構建并經(jīng)過測試，其軟件是在內(nèi)部創(chuàng)建的。運動系統(tǒng)，外殼，軟件和光學元件均根據(jù)客戶對所有5個運動軸的要求完成，并且包含軟件GUI，以便于控制。

太陽模擬器的移動系統(tǒng)可按照我們的機械工程師的設想在5個軸
上提供整個太陽模擬器的自動運動

太陽模擬器系統(tǒng)的圖紙，其中包括與ISO7兼容的無塵室外殼，
并描述了從系統(tǒng)輸出發(fā)出的高度準直的射線

原型設計與開發(fā)

高功率的6.5 kW氙弧燈被用作模擬太陽輻射的基礎光源。氙氣燈光譜使用空氣濾清器進行了修改，以滿足AM0光譜匹配標準。

輻照度可低至其全功率的0.1％，并且?guī)缀踹B續(xù)衰減，從而保持了空間均勻性，光譜匹配和時間穩(wěn)定性。

在短期，中期和內(nèi)測量了時間穩(wěn)定性，并符合*規(guī)范。

我們在0.69°全角內(nèi)以90％的功率實現(xiàn)了高度準直。高準直度在距太陽模擬器輸出若干距離處提供了一個均勻的點。

30分鐘內(nèi)測得的輻照度的時間穩(wěn)定性

太陽模擬器輸出相對于準直角的輻射度測量。

潔凈室要求

整個系統(tǒng)被密封以用于潔凈室，包括隔離的空氣冷卻系統(tǒng)，以防止污染潔凈室環(huán)境。整個系統(tǒng)符合ISO 5級潔凈室標準。

驗收測試和安裝

由于經(jīng)常與客戶團隊聯(lián)系，Sciencetech的工程師可以對設計進行修改，以確保更好地過渡到客戶，并幫助客戶對所訂購設備的功能充滿信心。終的驗收測試是與客戶的工程師共同創(chuàng)建的，以確保儀器在設備離開Sciencetech時即能在所需的參數(shù)范圍內(nèi)運行。硬件和軟件的終集成在終用戶的設施中完成，并且該設備通過了*批準的驗收測試。