（光学工程专业论文）宽光谱太阳模拟器的理论分析与整体设计.pdf

摘要 太阳光模拟系统的研究是随着航空航天技术发展起来的。在飞机、卫星、飞 船等空间设备的研制过程中往往需要进行一些空间环境模拟，而模拟太阳的辐照 特性是其中必不可少的一项。现在这项技术的应用领域已经逐渐从外层空间扩展 到地面，使得太阳模拟器作为实验室可控的光源越来越受到人们关注。 太阳模拟器主要由光源、匀光系统和准直系统组成，本文简单介绍了各部分 的设计原理、作用及设计准则，重点在于提出了一种新型的、适用范围更广的宽 光谱太阳模拟器，并论证了该系统的可行性。与以往此类系统只能模拟可见和近 红外的太阳光谱相比，本系统所能模拟的光谱范围从可见延续到中远红外( 0 4 1 2 p m ) ，且结构紧凑、工艺性较好。 本系统采用双光源的形式实现对0 4 - - 1 2 9 m 波段太阳光的模拟。其中，可见 光到近红外波段( 0 4 - - 1 4 1 x r n ) 采用常见的氙灯加1 5 g 滤光片作为光源，1 4 1 2 p x n 则采用变温黑体作为光源，两种光源通过合束器后经同一准直物镜输出。 论文重点对光源特别是红外黑体光源的选择做了详细分析，得出最高温度为 1 9 7 3 k 的黑体能很好的满足要求的结论；根据需要，确定准直系统的类型，设计 了焦距为7 4 7 m m 、通光口径为1 5 0 m m 、离轴量为1 9 0 m m 的准直镜来满足论文 要求；对氙灯和黑体各自的光路设计以及光能利用率进行了理论分析和计算；此 外，本文还对整个模拟器系统的结构进行了优化，最终确定了整个宽光谱太阳模 拟器的光路模型；对该系统红外部分与太阳光能量及光谱的匹配性问题进行了深 入的研究和计算，分别得到了1 3 岬、3 - - 一5 9 m 、8 1 2 i u n 波段，黑体的最佳匹 配温度；最后，对可见及近红外部分的光路进行l i g h t t o o l s 软件建模仿真，对积 分器的匀光性进行分析，获得了令人满意的匀光效果。 关键词：太阳模拟器变温黑体匹配度光学设计 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa e r o s p a c et e c h n o l o g y , t h es o l a rs i m u l a t i o ns y s t e mh a s b e c o m ean e wt e c h n o l o g y i ti so f t e nr e q u i r e dt h es i m u l a t i o no fs p a c ee n v i r o n m e n t i n t h ed e v e l o p m e n to fs a t e l l i t e f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o n o ft h es o l a rr a d i a n c e c h a r a c t e r i s t i c si sn e c e s s a r yi n t h es i m u l a t i o no fs p a c ee n v i r o n m e n t n o w , t h e a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yh a s b e e ne x t e n dt og r o u n d ，a n dt h es o l a rs i m u l a t o rh a s b e e np o p u l a rw i t hp e o p l ea st h ec o n t r o l l a b l es o u r c ei nl a b o r a t o r y t h em a j o rp a r t so fas o l a rs i m u l a t o ra r el i g h t - s o u r c e ，o p t i c a li n t e g r a t o r a n d c o i l i m a t i n gm i r r o r t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n d c o n s t i t u t i o n o ft h e s ep a r t s ，a n a l y z e dt h ef u n c t i o na n dd e s i g nr u l e si nd e t a i l t h ew o r kf o c u s e d o n t h ed e s i g no fan e w , s i m p l ea n de a s ym a n u f a c t u r e dl i g h t i n gs y s t e mt h a tc a nb eu s e d i n aw i d e rs p e c t r u m ，a n dt h ef e a s i b i l i t yw a sa p p r o v e d t h en e ws y s t e mc a ns i m u l a t et h e s p e c t r u mo fs u nr a n g ef r o m0 4 p r ot o 12 p r n ，c o m p a r e dt ot h ep r e v i o u ss i m u l m i o no i s u c hs v s t e m s 。w h i c hc a no n l yc o v e rw i t ht h eb a n do fv i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e d t h ew i d es p e c t r u ms o l a rs i m u l a t o ru s e dt h ef o r mo fad u a ll i g h t s o u r c et oa c h i e v et h e s i m u l a t i o no fs u n l i g h ti nt h eb a n do f0 4 1 2 p r o t h el i g h t s o u r c eo f0 4 p r o ia l m au s e d c o m m o nx e n o nl a m p ，w h i l et h ep a r to f1 4 p m 12 p mw a ss i m u l a t e db yav a r i a b l e 。t e m p e r a n 鹏 b l a c _ k b o d y t h el i g h tw a sr e f l e c t e db yt h ec o l l i m a t i n gl e n sa f l e rt h ec o m b i n a t i o no f t 、v os o u e s t h ep a p e rf o c u s e do nt h ec h o i c eo ft h el i g h ts o u r c ea n dm a d ea n a l y s i si n d e t a i l s ，i n f r a r e dl i g h t s o u l 忙ei np a r t i c u l a r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eb l a c k b o d yw i t h19 7 3 k c a ns a t i s f i e dr e q u i r e m e n t a c c o r d m gt ot h en e e d so ft h es y s t e m ，d e t e r m i n e dt h et y p eo fc o l l i m a t o rs y s t e m ；d e s i g nt h e c o l l 砷a t i n gm i l l r o rw i t h7 4 7 m m f o c a ll e n g t h ，15 0 m m a p e r t u r ea n d19 0 m m - o f f - a x i s a tt h es a m e t i m e ，t h ee n e 理u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft w os o u r c e sw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nt h e o r y t h e g t 九l c t l l r eo ft h ee n t i r es i m u l a t o rs y s t e mw a so p t i m i z e d w ec a l c u l a t e dt h em a t c h i n ga b i l i t yo f t h e s y s t e ma n dt h es u ni nt h ei n f r a r e db a n db o t ho np o w e r a n ds p e c t r u m ，a n dg o tt h eo p t i m 哪 m a t c h i n gt e m p e r a n l r eo fb l a c k b o d yi nt h eb a n do fl 3 p m 、3 5 p ma n d8 1 2 p m r e s p e c t i v e l y a tl a s t t h em o d e lo fv i s i b l es y s t e mw a sb u i l tt h r o u g ht h es o f t w a r e - - l i g h t t o o l s t h eu n i f o r m i t y o fi n t e g r a t o rw a sa n a l y z e d ，a n dg o tt h es a t i s f y i n gr e s u l t k e yw o r d s ：s o l a rs i m u l a t o r ，b l a c k b o d y ，m a t c hd e g r e e ，o p t i c a ld e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：罗音青签字日期：力d 7 年月弓同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名：i 和存 签字日期：缸门f 年月多日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 航天设备需要研究并测试抗太阳辐射的能力，空间光学系统需要研究并测试 抗太阳光干扰的能力，太阳能电池需要研究并测试其换能效率等等，都需要一种 能够完善模拟太阳辐照特性的设备。它不仅能模拟太阳光的强度，而且能高精度 再现太阳光谱的分布，这样，科学工作者就可以在室内进行较精确的实验，避免 在室外受到气温、风速等不确定因素的干扰，从而为科研工作创造出良好的条件。 太阳模拟技术主要研究模拟太阳光辐照特性，其中包括不同大气质量条件下的太 阳光谱特性、太阳光总辐照度、太阳光准直角、辐照不均匀度、辐照不稳定度等 方面的研究1 1 1 1 2 1 。 本论文所研究的太阳模拟器是红外成像光学系统杂散光测试设备的一部分。 在实际应用环境中，光学系统视场外的明亮干扰光源( 如太阳) 发射出的强干扰 辐射，经光学系统中光学零件和机械结构件上的反射、折射和散射等作用，最后 照射到探测器上形成背景噪声信号。通过测试在探测器上形成的背景噪声幅值的 大小，来分析太阳对光学探测系统的影响，帮助设计人员分析并解决提高红外成 像光学系统的抗杂散光干扰性能。这就要求模拟干扰光源( 太阳模拟器) 在红外 部分的辐射能量及光谱分布尽可能与太阳的辐射能量及光谱分布相一致。 一般情况下，由于受到光源发光性能的限制，市面上可见的、国内外各种指 标的太阳模拟装置都属于窄光谱模拟器，只能在可见光和近红外波段附近模拟太 阳辐射【3 1 1 4 】【5 j f 6 l ，这对许多工作在长波红外区域的空间设备来说远远不够。这些设 备在测试其空间环境适应能力时，都需要一个宽光谱( 覆盖可见光到远红外全波 段) 的太阳模拟器来完成。针对上述要求，根据现有的技术，采用单一的光源来 模拟，目前还无法实现。因此，本文提出一种双光源形式太阳模拟器，它对工作 在1 3 1 x m 、3 5 9 r n 、8 1 2 9 m 波段的红外设备的性能测试均适用。 虽然在以往的研究中，双光源的方式也被使用过，但是所设计的模拟器只将 光谱范围拓展n o 2 5 - 2 4 9 m 。7 】【8 】【9 】没有考虑到中远红外波段。而本文的设计能 实现对0 4 1 2 9 m 太阳光的模拟，将会为越来越多的中远红外设备的测试提供方 便。论文重点对光源的选择以及匹配性进行分析，对整个系统的结构设计和优化 进行了详细的论述，还利用l i g h t t o o l s 软件验证了匀光系统的性能，最终开发出 了稳定性和可靠性均较高的宽光谱太阳模拟器。 第一章绪论 1 2 课题意义 太阳模拟技术的应用领域非常广泛。应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟 器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分( 完成卫星的热平衡试验，检 验卫星的热设计) 。而中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模 拟试验与标定，及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在 太阳光伏科学与工程中，这种类型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标 定、遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良 种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。特别是近年来随着适合于人体健康保 健用太阳光装置的研制成功，进一步推动了太阳模拟技术的研究工作。此外，太 阳模拟器在半导体、纺织工业、医疗保健等方面也获得了广泛的应用【1 10 1 。 而本文所提出的宽光谱太阳模拟器更是将模拟技术的应用拓展到红外部分， 为工作于1 - 3 1 t m 、3 - 5 p r o 、8 - 1 2 9 m 波段的红外系统的抗辐射能力以及抗杂散光干 扰能力的测试提供了很大的帮助。总之，太阳模拟器的应用范围己大大超过了早 期只限于模拟空间环境工作中的应用，作为可控室内实验中对被试验体提供模拟 太阳光的光源，越来越受到人们的重视，几乎成了与太阳光照有关的一些科学技 术实验中的重要设备。因此，研究宽光谱太阳模拟器有着十分重大的意义和广阔 的前景。 1 3 国内外发展概况 1 3 1 国外发展概况 太阳模拟技术是六十年代兴起的，到目前为止，许多国家都研制了大、中、 小型太阳模拟器。国外大型太阳模拟器研制工作是从美国开始的，6 0 年代初研制 了两台同轴系统，其特点是辐射源的能量和性能参数均很低，因此需要l o r 以上 的灯才能得到大的辐照面积，且辐照均匀性只有士1 0 。如美国喷气推进实验室 ( j p l ) 的7 6 m 空间模拟器上配有的太阳模拟器使用了1 3 1 只1 5 k w 汞氙灯，得到边 长为3 3 5 m 的正六边形辐照面，于1 9 6 2 年完成。 6 0 年代中后期至7 0 年代，由于大功率氙灯的使用，灯的数量大大减少，美国 波音公司研制的a 7 0 0 大型太阳模拟器采用同轴准直光学系统，使用3 7 只3 0 k w 氙 灯，得到6 1 m 直径的辐照面，辐照均匀性为4 - 1 0 。而1 9 6 6 年建成的美国j p l s s 1 5 b 太阳模拟器，采用离轴角为1 4 0 的离轴准直光学系统，使用3 7 只2 0 k w 的氙灯， 准直镜直径为6 m 的整镜，试验面直径为4 6 m ，由于使用了积分器系统，有效地 2 第一章绪论 将辐照均匀性提高到4 ，光谱为修正氙灯光谱。为了星际探测的需要，1 9 7 2 年对该太阳模拟器作了改造，研制出两个新积分器个用来产生34 m 直径的光 柱，个用来产生27 m 直径的光柱使该太阳模拟器在34 m 直径和27 m 直径的辐 照面上能分别宜现8 和i2 个太阳常数的辐照度。 欧洲各国及门奉的太阳模拟器研制工作1 6 0 年代中期开始，此阶段建成的太 阳模拟器主要为中等尺寸( 辐照面直径为2 m 至25 m ) 的发散型光学系统。7 0 年代 后，由于要进行大型应用卫星的试验，需要研制高性能的大型太阳模拟器。7 0 年代日水筑渡空间中心建成的大型太阳模拟器应用离轴准直光学系统，离轴角 为1 95 。，辐照面直径为42 m ，均匀性为5 。法国7 0 年代研制的太阳模拟器醇先 在离轴太阳模拟器中对准直镜采用多块拼凑技术，降低了准直镜的加工难度。德 国1 9 8 3 年建成的大型太阳模拟器采用离轴准直光学系统，离轴角为2 7 。，辐照 直径为36 m ，辐照均匀性为叫。后来对其做了两处改进，把积分器单元镜由圆 形改为矩形准直镜单元镜由6 i 块六方镜增加到8 4 块，扩大准直镜口径，得到了 30 5 m 45 m 的辐照面。 欧空局1 9 8 3 年在荷兰建成的大型太阳模拟器，吸取了备国的技术成就和研究 经验，采用离轴准直光学系统，离轴角为2 9 。，选用1 9 9 , 2 0 k w 、2 5 k w 或3 2 k w 的 氙灯，辐照直径为60 5 m ，辐照面均匀性和体均匀性分别为4 和6 。该模拟 器代表了当令大型太阳模拟器的先进水平。印度于1 9 9 1 年投入使用的大型空间环 境模拟系统也配备了太阳模拟器。其辐照面均匀性为“，使用1 1 只和1 4 只2 0 k w 氙灯时辐照面分别为4 m 和45 m 直径。此外俄罗斯等国也建成了大型的太阳模 拟器用于航天器试验”q l l 。 ( a )( b ) f a l o r i e l 公司的o r i e ls o l a r s i m u l a t o r ( b ) 美国a b e t t e c h n o l o g i e s 公司的s u n 2 0 0 0 太阳模拟器 图l - l 市面上常见的两敖国外的太阳模拟器 j=产一 第一章绪论 1 3 2 国内研究概况 我国进行太阳模拟器的研制工作始于19 6 5 年。长春光机所从事这项工作较 早、技术水平较强。该所从六十年代中期开始研制了一定数量的大、中、小型太 阳模拟器，并己投入国内有关单位的应用。航天部5 0 2 、5 0 1 、5 1l 所也进行了 许多太阳模拟器的研究工作，并取得了一定的成果。各国早期研制的太阳模拟器 多采用碳弧灯，后来才改用氙灯和适当的滤光片配合使用。如长春光机所研制的 k m 2 太阳模拟器开始时由于受国内条件的限制采用碳弧灯，后来改为短弧氙灯， 为我国人造卫星的发射做出了一定的贡献。 1 、国内小型太阳模拟器的研究 早期研制的太阳模拟器多以小型为主。这种模拟器一般辐照口径较小，在 2 5 0 m m 以下，可以采用透射式，其设计、加工、装校比较容易，但性能较低， 不均匀度士1 0 左右，准直角4 - 5 0 。随着技术水平的不断提高，如今其性能指标 可以达到很高的水平：不均匀度小于士3 ，稳定性钍1 - - 2 h ，一般型准直角 9 0 芝8 0 7 0 辐照不均匀度墅2垫5垒1 0 辐照不稳定度 1墅2塾5 光谱失配误差 _ 9 95 p i d 8 0 k g 表3 - 3 ( b ) h g - j 型黑体产品技术参数 温度腔口功发射温度温控外犁重 稳定性直径 蛊室 分辨牢方式尺寸量 士i 1 9 95 9 5 k g 第三章宽光谱太阳模拟器光学系统设计 3 2 2 准直系统设计 第2 章详细介绍了准直镜的两种类型：折射式和反射式。其中可见光系统的 准直镜大多采用折射式，而红外光学系统多采用反射式，这是因为一方面能满足 各种物理上、化学上、机械上性能要求的红外透过材料较少；另一方面通常的红 外波段都比可见光波段宽得多，折射式光学系统色差较大，而可供选择的红外材 料又很少，消色差透镜不易设计制造，因此红外光学系统的准直镜大多采用反射 式系统。反射镜的工作波段很宽，对反射镜材料要求不高( 因为只用表面，并且 在玻璃表面往往镀有金属反射膜，并不用玻璃本身) ，镜面反射率往往比透镜的 透过率高很多，口径可以做的较大，这些对准直系统都非常有利。 反射镜使用较多的有球面反射镜和抛物面反射镜，抛物面反射镜由于对轴外 物点不产生球差，其像质要比球面反射镜好。图3 1 0 所示为几种常见的抛物面反 射镜结构，图( a ) 的光阑位于焦面上，球差和象散均为零，但光源必须放在光 路中，要挡掉一部分光束，使用起来也不方便。图( b ) 为离轴抛物面反射镜， 焦点在光束的外边，虽解决了上述问题，但光学装校比较麻烦，非对称的抛物面 加工也比较困难。图( c ) 即通常所说的牛顿系统，它是在光路中加了一块平面 次反射镜，与光轴成合适角度安装，这种结构容易把光源引出光束外，但光束的 中心部分要被次镜挡掉，牛顿系统的像质同单块抛物面反射镜一样。图( d ) 为 离轴抛物面牛顿式系统，这种系统很好的解决了上述的问题，由轴上焦点发出的 光经抛物面镜反射后所成平行光的平行度特别好，同时避免了光束遮拦。 蛰 翠孕 ( c )( d ) 图3 1 0 准直镜光路图 准直镜在模拟器中起着使出射光平行的作用，设计中为了兼顾从可见到中远 红外的光，且保证像质较优，选用反射式抛物面镜，同时为了解决光束遮拦问题 选用离轴式结构。积分器的后焦面及黑体光源的辐射面均为准直器的焦点。为了 保证合成光束的均匀性，积分器的焦面直径应与黑体光源辐射面直径相等。由于 第三章宽光谱太阳模拟器光学系统设计 两种黑体的具体选择要在准直镜确定后才能给出，因此积分器的焦面直径还不能 确定为西2 5 m m 或者西3 0 m m ，在准直镜的设计中应综合考虑。 准直 积分器焦面( 黑体辐射面) 图3 1 l 准直器示意图 上图中，取准直镜的准直角度2 0 ，积分器后焦面直径分别取2 5 m m 和 西3 0 m m ，则由公式妄= 俺詈，其中y = 2 5 m m ，= 2 。时准直器焦距f = 7 1 6 m m zz y = 3 0 m m ，a t = 2 0 时准直器焦距f = 8 5 9 m m 。但是综合考虑加工方法、材料、性能， 特别是价格后，通过与厂家的沟通，选择焦距为7 4 7 m m ，通光孔径为1 5 0 m m ， 离轴量为1 9 0 m m 的离轴抛物面反射镜，如图3 1 2 所示，其离轴角o t r = 1 0 。由于 黑体位于准直镜的焦面上，通过所选取的准直镜，可以粗略的得出黑体辐射面 1o n 与准直镜的距离为! 兰矿- 7 5 6 m m 。同样积分器的焦面离准直镜的距 j y u s l na r c t g 一7 4 7 1 5 离也为7 5 6 m m 。后续设计表明，该准直镜能够很好的满足系统的要求，具体参 数如表3 4 。由于准直镜的性能决定了整个模拟器的结构，因此系统中黑体光源 的选择将在此基础上展开。 a ， y ll ：f 卜li ； j f o ：二焱! - c 忒 l ： y l l ， ， j f j 44 1 ( a ) 准直镜设计( 离轴量及焦距) 示意图( b ) 面型图 图3 1 2 离轴抛物面反射镜结构图 3 l 第三章宽光谱太阳模拟器光学系统设计 表3 4 准直镜参数指标 基本材料 表面涂层 平均反射率焦距通光口径离轴量 k 9 玻璃铝膜 9 6 7 4 7l8 01 9 0 ( 在o6 5 2 0 1 m _ l 范围内)m mm m 323 匀光器设计 匀光器刈咀选用积分器( 蝇眼透镜) 或光棒式。光棒式的匀光器虽然结构简 单、生产成本低，但是它要求氙灯发出的光能被会聚到入射端面k 较小的圆内， 否则得不到较好的匀光效果，适合用在椭球面聚光系统中。而本论文选用的 p e 6 0 0 b f 氙灯采用的是抛物面反射镜将氙灯的辐射光线汇聚后平行射出，光 棒显然不适合在此充当匀光器。因此论文中采用积分器式匀光器。且由于设计的 宽光谱模拟器为小型装置，故最终选用对称式光学积分器。 对称式积分器的场镜阵列和投影镜阵列完全相同，其通光口径与黑体辐射面 直径应相等，后续分析表明设计中应选用c s l 7 0 0 黑体，因此积分器的通光口径 为2 5 r a m 。文中两组透镜阵列均采用2 3 x 2 3 个圆口径的平凸透镜组成，并按蜂窝 状结构排列。其中每个元素透镜的口径为l5 m m ，焦距为2 0 r a m ，如f 图所示。 3 24 合柬器设计 圈3 - 1 3 光学积分器阵列 光束合成的技术难点是对波长相近的两柬光，要保证近场和远场都能重合在 一点，且光台束效率能选n 8 5 0 o 以r 。合束的方法有很多，常见的为几何光学法 及镀膜法1 2 ”。而它们又有各自的分类，f 面将一一介绍。 1 、几何光学法 ( i ) 平板玻璃 如图3 1 4 所示，这是一种虽简单的光束台成方法。根据光在介质表面的反射 和折射定律雌及菲涅耳公式可以计算出，理想条件下光束台成效率3 0 5 0 ，实验 中考虑到别的一些实际损失，合柬效率还达不到这一值。这种光束合成方法只能 第三章宽光谱太阳模拟器光学系统设计 用于对光传输效率不做要求的普通实验。 图3 一l4 用平板玻璃进行光束合成 ( 2 ) 缺角直角棱镜 如图3 15 所示，使用这种方法光损失少，但两束光要尽可能地靠近，一般最 近可至1 1 5 m m 。并且经过缺角直角棱镜后的光是两束平行光，还需用透镜进行聚焦。 图3 1 5 用缺角直角棱镜进行光束合成 ( 3 ) 小角度全反射棱镜 如图3 一1 6 所示，这种方法对五角棱镜顶点的加工要求很严格，较复杂。在 反射棱镜上，四束光的焦点分布如图中的k 向示图，它们之间尽量接近。调整输 入的光束方向，使四束光从棱镜输出的各光轴相互平行。然后经平面反射镜采用 小角度入射送入m r 。这种方法，光的完全混合度在凹面镜一端是7 7 1 ，在平 面镜一端是9 1 8 ，光的合成和传输效率是8 5 。 2 、镀膜法 ( 1 ) 滤光片 z l ：可调透镜t r p - 小角度全反射棱镜m r ：光学腔 图3 一1 6 用小角度全反射棱镜进行光束合成 第三章宽光谱太阳模拟器光学系统设计 遘过率( ) ( a ) 截止滤光片的光谱特性( b ) 用滤光片进行光束合成 图3 1 7 合柬器基本原理图 如图3 1 7 所示，与用平板玻璃光束合成一样，能很容易的把两束光合成一束， 合束效率可达9 0 以上，适用于两束光波长相差较远时的光束合成。 ( 2 ) 棱镜偏振分光镜 如图3 1 8 所示，把膜层内的每个膜面的入射角设计成布氏角，这样光线在膜 面上的p 偏振光的反射率为零。但设计中未考虑棱镜和膜层的界面处应满足布氏 角，因此得不到很高的消光比。 图3 1 8 ( a ) 棱镜偏振分光镜的光谱特性( b ) 利用棱镜偏振分光镜进行光束合成 ( 3 ) 平板偏振分光镜 如图3 1 9 所示，一般s 偏振光比p 偏振光的反射带大。选中心波长，使工作波 长或波段落在p 和s 偏振的反射带之间，就可以实现p 偏振光高透射，s 偏振光高反 射的偏振光束合成。为了获得大的工作波长带宽，应尽量选择n ，i n 。大的膜料配 对和尽