DE19649736A1 - Sonnensimulator mit ausserachsialem Ellipsoidspiegelsegment - Google Patents

Description

1. Technische Beschreibung 1.1 Aufbau des Simulators

Der Sonnensimulator erzeugt ein Strahlenbündel mit kreisförmigem Querschnitt von ca. 200 mm Durchmesser, das bezüglich Bestrahlungsstärke (1 Solarkonstante = 135 mW/cm2 extraterres­ trisch) Gleichmäßigkeit, spektraler Verteilung (sichtbar bis nahes Infrarot 380 nm bis ca. 1100 nm) und Kollimationswinkel (32 arcmin ± 0. 2 arcmin) der Sonnenstrahlung angenähert ist.

Die Anlage besteht aus folgenden Baugruppen:

• - Simulator (Skizze Nr. 1) mit Lampe (1), Zündgerät (2) und optischen Komponenten (3, 4, 5, 6)
• - Vorschaltgerät
• - Verbindungskabel
• - Vorrichtung zur Lichtstromregelung
• - Absaugvorrichtung für forcierte Kühlung der Lampe

1.2 Optisches System

Das optische System ist in Skizze Nr. 2 dargestellt. Es besteht aus folgenden Bauteilen:

• - Kugelspiegel (1)
• - Xenon Kurzbogenlampe (2)
• - außerachsialer Ellipsoidspiegel (3)
• - Blende (4)
• - Objektiv (Achromat) (5)
• - spektrales Anpassungsfilter (6)

Die Xenon Kurzbogenlampe ist stehend angeordnet. Der Plasma- Lichtbogen zwischen ihren beiden Elektroden liegt einerseits im Krümmungsmittelpunkt des Kugelspiegels und andererseits im 1. Brennpunkt des Ellipsoidspiegels. Durch den Kugelspiegel wird der Lichtbogen kopfstehend in sich selbst abgebildet, wodurch eine gleichmäßigere Leuchtdichte des Lichtbogenbildes auf der Blende erreicht wird. Der Ellipsoidspiegel fokussiert die von der Xenonlampe ausgehende Strahlung in seinem 2. Brenn­ punkt, in dem auch die Blende angeordnet ist.

Die Blende steht andererseits in der Brennebene des nachfolgen­ den Objektives. Alle von einem Punkt der Blende ausgehenden di­ vergenten Strahlenbündel verlaufen hinter dem Objektiv parallel.

Der Durchmesser der Blende ist der Brennweite des Objektivs so angepaßt, daß alle hinter dem Objektiv austretenden Parallelbündel innerhalb eines Kegels mit einem Öffnungswinkel von 32 Bogenminuten liegen.

Dies ist derselbe Winkel unter dem auch die, in quasi­ unendlicher Entfernung am Himmel stehende Sonne, dem irdischen Beobachter erscheint.

Das außen am Objektiv angebrachte Anpassungsfilter hat die Aufgabe, die spektrale Verteilung der simulierten Strahlung dem Sonnenspektrum möglichst gut anzugleichen.

Insbesondere müssen Emissionsmaxima der Xe-Lampe zwischen 800 nm und 840 nm sowie zwischen 860 nm und 1000 nm gedämpft werden.

Durch die Verwendung des aus Aluminium hergestellten außer­ achsialen Ellipsoidspiegelsegments (Metalloptik) wird der Simulator besonders kompakt.

Lichtstromregelung:
Eine Fotozelle, die am Rand in den Simulatorausgangsstrahl eintaucht, mißt den Lichtstrom und hält ihn über einen Regel­ kreis im Vorschaltgerät durch Regelung des Lampenstromes auf einem einstellbaren Wert konstant.

1.3 Stromversorgung

Zur Stromversorgung dient ein primärgetaktetes Netzvorschalt­ gerät mit integrierter Lichtstromregelung. Jede beliebige Stromstärke zwischen 0 und 160 Ampere kann am Gerät eingestellt werden.

1.4 Mechanische Schnittstellen

Im Boden des Lampenhauses befinden sich in der Nähe des Simulatorschwerpunktes zwei Lochkreise zur Befestigung des Simulators auf einem Stativ.

Zusätzlich sind in der Bodenplatte des Lampenhauses drei Füße mit Pendelauflage eingeschraubt auf die der Simulator auf einem Tisch abgesetzt werden kann.

Um den Zugang zu den in der Bodenplatte liegenden Justier­ schrauben zu gewährleisten, muß die Aufstellung in ausreichender Höhe über dem Tisch erfolgen.

Auf der Oberseite des Lampenhauses, direkt über der Lampe, ist ein Absaugstutzen angebracht. An diesem muß über einen flexiblen Schlauch von 200 mm Durchmesser eine Absauganlage zur forcierten Kühlung der Lampe angeschlossen werden. Die Absaugleistung muß so hoch sein, daß die Windgeschwindigkeit am Lampenäquator in 5 mm Abstand mindestens 5 m/sec beträgt. In diesem Fall ist sichergestellt, daß die maximal zulässige Sockeltemperatur der Lampe 230°C nicht überschreitet.

Die abgesaugte Luft ist aufgrund einer Spezialbeschichtung des Lampenkolbens ozonarm.

1.5 Justierelemente und Justierverfahren 1.5.1 Justierelemente

• 1. Das Objektiv ist relativ zur Blende in achsialer Richtung justierbar.
• 2. Die Blende kann ebenfalls in achsialer Richtung relativ zum Objektiv und zum Ellipsoidspiegel verstellt werden.
• 3. Die Ellipsoidspiegelhalterung enthält je einen Translations­ versteller in lateraler und achsialer Richtung sowie zwei Rotationsversteller um zwei senkrecht zur Simulatorachse liegende Achsen.
• 4. Zusammen mit der Lampenhalterung kann die Lampe zum Justieren um zwei horizontale Achsen gekippt und zusätzlich in verti­ kaler Richtung verschoben werden.
• 5. Die Kugelspiegelhalterung enthält je einen Translations­ versteller in lateraler und achsialer Richtung sowie einen Rotationsversteller um eine senkrechte Achse. Die gesamte Halterung kann außerdem um zwei horizontale Achsen gekippt und zusätzlich in vertikaler Richtung verschoben werden.

Alle genannten Verstellvorrichtungen sind bei geschlossenem Lampenhaus von außen zugänglich. Die Betätigung erfolgt ent­ weder von der Bodenplatte her oder durch kleine Öffnungen in den Wänden des Lampenhauses, die mit Klappen abgedeckt sind.

1.5.2 Justierverfahren

Nach mechanischer Vorjustage der Optikkomponenten mit Hilfe von Referenzmarken, erfolgt eine innere Feinjustage des Simulators im kalten Zustand, d. h. mit ausgeschalteter Lampe, bei offenem Gehäuse.

Dieser kalten "Feinjustage" folgt eine warme "Feinjustage" bei geschlossenem Gehäuse wobei Bewegungen der Optikkomponenten durch die kleinen, abdeckbaren Öffnungen in den Wänden des Simulatorgehäuses bzw. durch die Justierschrauben in der Bodenplatte des Simulators bewerkstelligt werden können.

Für die kalte Feinjustage wird anstatt der Originalsonnenblende eine spezielle Justierblende verwendet. Diese ermöglicht, trotz gleicher Blendenöffnung und -lage eine Beobachtung des Umfeldes der Blendenebene, die ja - bei richtiger Justage - mit der Bildebene des Ellipsoids identisch ist.

Die Blendenebene kann nun durch das Simulatorobjektiv, mit dem Auge oder mit einer Videokamera, wie durch eine Lupe vergrößert betrachtet werden.

Dadurch ist es möglich sowohl das vom Ellipsoidspiegel ent­ worfene Bild der Lampenkathode als auch das vom sphärischen Spiegel entworfene kopfstehende Kathodenbild so einzustellen, daß beide knapp außerhalb des Blendenrandes zu liegen kommen.

Auch die Positionierung des Lampenbildes in achsialer Richtung so, daß die Lampenbilder in der Blendenebene liegen, kann mit Hilfe der Justierblende erfolgen.

Das Lampenbild muß in diesem Falle beim Hin- und Her- bzw. Auf- und Abbewegen des Auges oder der Videokamera vor dem Simulatorobjektiv relativ zur Blende am selben Ort stehen bleiben.

Nach Schließen des Lampenhauses kann nun eine erste warme Feinjustage - immer noch mit der Justierblende - erfolgen. Zu diesem Zweck werden die beiden Lichtbogenbilder, die vom Ellipsoidspiegel und vom sphärischen Rückspiegel entworfen werden, mit Hilfe starker Graufilter beobachtet.

Die Einstellkriterien sind Lage der Blendenöffnung nahe der Lampenkathode und Vignettierungsfreiheit im gesamten Ausgangsstrahl.

Danach wird die Justierblende gegen die Sonnenblende ausge­ tauscht. Die letzte Feinjustage erfolgt nun mittels einer Photozelle, die im Simulatorstrahl bewegt wird so, daß eine über den Strahlquerschnitt möglichst gleichmäßige Lichtver­ teilung erzielt wird.

Claims (1)

1. Sonnensimulator zur Simulation der Sonne bezüglich Geometrie und extraterrestrischer Bestrahlungsstärke auf einem kreisförmigen Strahlquerschnitt von ca. 200 mm Durchmesser, in einem Gehäuse

   • - mit einer stehend angeordneten Xenon-Hochdrucklampe im ersten Brennpunkt eines außerachsialen Ellipsoidspiegelsegments und einer Blende im zweiten Brennpunkt desselben
   • - mit einem Objektiv (Achromat), derart angeordnet, daß sich die Sonnenblende und damit der zweite Brennpunkt des Ellipsoid­ spiegels in dessen Brennebene befinden
   • - mit einem sphärischen Spiegel (Rückspiegel), der die Xenon- Lampe kopfstehend in sich selbst abbildet
   • - mit einer Justierblende, die gegen die Sonnenblende ausge­ tauscht werden kann und mit welcher, gemäß dem oben genannten Verfahren unter Verwendung des Simulatorobjektives als Lupe, eine Feinjustage der optischen Komponenten des Simulators im kalten und im warmen Zustand ermöglicht wird.