积分球出射光在远距离处的大辐照面上辐照均匀性及辐照度受出射光角度影响较大。针对这一问题，提出将复合抛物面聚光器逆用为复合抛物面反射器的积分球出射光角度调制方法。首先，研究复合抛物面反射器光束调制原理并推导抛物线方程；其次，分析复合抛物面反射器的参数对辐照面辐照均匀性及辐照度的影响，确定复合抛物面反射器的发散角与截取比等尺寸参数；最后，建立发散式太阳模拟器光学系统模型并仿真。仿真结果表明：复合抛物面反射器将积分球出射光半角由82°调制为25°；在太阳模拟器有效辐照面Φ1000 mm内，与未使用复合抛物面反射器相比，当复合抛物面反射器的截取比为20%时，辐照均匀性提高了0.24倍，为97.30%，辐照度提高了5.1倍，为553.54 W/m²，实现了远距离处高辐照均匀性的大辐照面模拟。

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题，设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型，根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论，建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系；依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程，通过龙格-库塔法求解微分方程，计算出离散点数据；拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线，旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线，利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化，从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统，结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升，辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%，辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%；通过误差仿真分析，依据现有自由曲面加工与检测水平，验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。

太阳模拟器是光伏和材料降解研究中的关键设备,能够为光浸泡与耐久度测试提供稳定可控的特征辐照度光谱。基于大功率、单晶窄带小发光面的LED光源采用超半球齐明透镜进行全孔径集光,设计曲面分布式光学结构,从而高效实现目标靶面上的光谱匹配及1个太阳常数(辐照度为100 mW/cm ²)的辐照度。实验结果表明,本文所设计的太阳模拟器在1000 h的时间内的辐照度波动低于1.15%,靶面中心60 mm×60 mm的正方形区域内辐照度不均匀性为1.98%,80 mm×80 mm区域内辐照度不均匀性为4.99%,光斑的光谱匹配度达到A级。该系统结构紧凑,可扩展性强,可用于长期稳态测量。

针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。

为提高太阳模拟器聚光镜的有效聚光效率, 提出一种基于椭球面二项展开式的非标准椭球面聚光镜, 通过改变展开式的二次项系数控制聚光镜面形, 提高聚光镜对氙灯光源离焦发光点的聚光效果, 使第二焦面上的光能分布更为紧凑, 从而提高系统的光能有效利用率。结合具体实例进行数值分析, 并采用蒙特卡洛光线追迹方法模拟实际光照效果。分析结果表明, 在有效辐照面积内非标准椭球面的聚光效率相比传统标准椭球面提升了10%左右。

现有太阳模拟器在辐照度调节时存在调节范围窄、数值不连续等缺陷,这会严重影响辐照不稳定度和光谱匹配度。针对这个问题,提出基于环带聚光与对称匀光理论的太阳辐照调制方法。首先,研究椭球聚光镜配光所形成的辐照面的能量分布;接着,研究光学积分器的匀光机理,提出基于通孔的能量调制方法,结合辐照度分布函数获得均匀的辐照度分布;最后,设计辐照调节系统,通过改变辐照调节板开孔尺寸实现辐照度的连续调节,利用Lighttools软件进行辐照度仿真。仿真结果表明:太阳模拟器的辐照度在490.38~1473.78 W/m ²范围内连续可调,且椭球聚光镜的斜率误差为σ=2 mrad时,不同辐照度下的不均匀度均优于1.76%(达到太阳模拟器校准规范的A级要求),实现了太阳模拟器辐照度的宽范围调节,且辐照度调节不会改变辐照不稳定度和光谱匹配度。

为了解决太阳模拟器辐照均匀度普遍较低的问题，根据太阳模拟器的工作原理，建立了变系数椭球聚光系统。通过将传统椭球面方程进行泰勒展开后得到高阶方程，再通过演变得到了一种变系数的椭球面方程。通过调整变系数椭球面方程的系数，得到最佳的变系数椭球面方程。通过MATLAB分别仿真变系数椭球镜和传统椭球镜的第二焦面处的能量，将两者进行对比。使用LIGHTTOOLS软件仿真传统椭球镜和变系数的椭球聚光镜光学系统。仿真结果表明：变系数椭球镜第二焦面的均匀度比传统椭球镜的好，变系数椭球镜的辐照面均匀度要比传统椭球镜的辐照面均匀度高3.91%，基本满足太阳模拟器的高辐照均匀度要求。

太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性, 具有较高的空间外热流模拟精度。其主要用于航天器的热平衡试验、热涂层特性试验和材料老化试验, 可以有效地检验卫星的光辐照性能, 验证航天器的热设计。针对大中型太阳模拟器特性, 设计一种积分器组件, 可承受高温负荷, 保证大中型太阳模拟器的均匀性及辐照度性能指标。介绍了太阳模拟器积分器组件原理, 通过Lighttools、Flunet对积分器组件进行结构设计、热设计及仿真计算。设计结果表明, 中型太阳模拟器辐照面可达到Ф2000mm, 辐照度不均匀性可达到±4%。试验结构表明, 系统辐照面可达到Ф2000mm, 辐照度不均匀性可达到±3.75%, 辐照度最高可达到1.39个太阳常数, 能够满足大中型太阳模拟器使用。