针对目前LED太阳模拟器辐照度低、光谱匹配性差等不足，提出一种由LED阵列光源，菲涅尔透镜、光学积分器、准直物镜组成的LED太阳模拟器。首先根据多光谱拟合理论，在400～1 100 nm优选15种不同波段的LED光源，计算出光源所需功率，实现太阳光谱的精确匹配。其次优化设计了菲涅尔透镜、光学积分器以及准直物镜，校正了太阳模拟器的像差，提高了太阳模拟器的能量利用效率以及辐照均匀性，并利用LightTools软件对所设计的光学系统进行仿真分析。最后搭建了光学系统实验装置，测试结果表明：100 mm×100 mm内的辐照度达到1 376.3 W/m2；拟合的太阳光谱匹配度达到AM1.5条件中的A级，辐照不均匀度为±1.73%，辐照不稳定度为±0.82%，综合性能指标达到太阳模拟器中的3A级水平。

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度, 针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差, 研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素, 提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法, 以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求, 利用 TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真, 利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光, 并实测余弦误差.实测结果表明, 余弦器外露配合挡光环形式下, 入射角小于±80°, 余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差, 提高太阳辐射观测准确度.

为了实现太阳光各波长下观测，针对现有的太阳辐射观测仪光谱测试范围窄、光谱分辨率低的缺点，提出了一种运用光谱测量技术实现高分辨率太阳观测仪光学系统的设计方案。结合太阳辐射观测仪的使用环境与太阳光的特点，利用光纤、余弦校正器等器件设计了太阳辐射观测仪的收光系统。根据太阳光的光谱范围以及光谱分辨率的要求，设计了多通道、高分辨率的太阳辐射观测仪分光系统。实验与设计结果表明：光谱分辨率优于20 nm，能够实现太阳的光谱观测。满足太阳辐射观测仪宽光谱、纳米分辨率等要求。

渐进多焦点镜片可为佩戴者提供自远点到近点全程、连续的清晰视觉。检测仪器由光源、聚焦镜、CCD、镜片夹具和转动装置等构成,用于检测渐变镜片视远区、视近区、渐变区的度数变化。提出了仪器装置的总体设计方案,通过CCD采集图像,经过后续处理可以得到镜片的屈光度分布图。结果表明,该仪器操作方便可行。

为了实现直接辐射的太阳能量的耦合, 设计了一种分光谱辐射表入射系统。根据气象辐射理论对直接辐射表的尺寸进行约束, 利用几何光学理论设计导光锥, 使收光筒与光纤部分实现低损耗连接, 解决光纤与收光筒直接耦合时能量较弱的问题.通过在太阳模拟器下模拟的真实辐照度, 测试整个入射系统不同波长处的耦合效率, 以及不同跟踪角度误差下耦合效率的变化.理论分析表明, 导光锥和光纤两轴线的横向偏移是引起耦合损耗的主要因素.实验结果表明: 系统的耦合效率为66.24%, 在太阳跟踪器完全跟踪不到太阳直接辐射时, 耦合效率为12.8%, 反映了环日辐射和散射辐射水平.该系统可满足太阳直接辐射观测的入射系统要求.

针对传统的月球模拟器的设计原理复杂、成本较高、辐照特性差等缺点，应用液晶光阀技术设计了一种新型的月球模拟器，并重点对月球模拟器光源进行了研究。硅基液晶(LCOS)光学拼接技术的应用有效提高了月球模拟器的精度与模拟能力。通过控制程序对LCOS 像素电压的调节，促使LCOS 将入射光调制成不同的状态，从而模拟不同的月相及辐射特性。仿真结果表明：设计的月球模拟器光源可以模拟多样性的月相，并且亮度不均匀性好。采用LCOS 器件的模拟器相对传统模拟器有效提高了控制精度、减小了模拟器体积。

光学积分器是太阳模拟器实现均匀辐照的关键光学器件，介绍了光学积分器的组成及其工作原理，阐述了方位偏移误差和倾斜偏移误差对辐照均匀性的影响。根据光学积分器的工作原理，利用软件Lighttools将两种光轴一致性误差对辐照均匀性造成的影响进行了仿真分析。结合实验结果表明，倾斜偏移误差相对方位偏移误差对系统辐照均匀性的影响更为严重。分析光轴一致性误差，可为光学积分器微调机构的设计和实际装调太阳模拟器提供理论依据。