太阳模拟器是空间环境模拟的重要设备,其主要作用是提供近似于真实太阳光谱分布的、均匀稳定的可控辐射源,以满足航天器的热真空试验、卫星姿态部件的测试标定、光学遥感器的环境适应性试验、太阳能光伏发电及材料特性测试等领域的需求。太阳模拟的光学系统主要由光源系统、匀光系统和成像系统组成,其光学系统设计的合理性直接决定着系统辐照面的辐照度、均匀性、稳定性、光谱分布、辐照面大小及准直角等物理特征和几何特征,而太阳模拟器的研究过程中最关键的问题是系统的提高能量利用率和照明均匀性,这也一直以来是太阳模拟技术研究中的重点。本文围绕太阳模拟器的设计理论及研究方法展开了深入的讨论,根据太阳模拟器的发展历程,分析并总结了不同类型太阳模拟器的光学设计原理和光学结构的特点,太阳模拟器的光学系统设计中需要同时考虑光能利用率、照明均匀性及成像光束质量等因素,这就必须通过成像光学理论与非成像照明光学理论相结合的方式,以进一步提高传统太阳模拟器光学性能。文章首先阐述了非成像光学理论的基本概念,将光学扩展量引入到太阳模拟系统的能量分析过程中,通过对光源、椭球聚光镜及光学元件的光学扩展量进行了详细的分析,讨论了光学扩展量与系统能量利用率的关系,为太阳模拟器的能量利用率的计算提供了理论依据和优化方法。太阳模拟系统的照明均匀性分析是本文工作的另一个重点。本文在理解基本照明原理的基础上,通过多通道柯勒照明方式建立了太阳模拟器的均匀照明的模型,并详细分析了照明均匀性的主要影响因素,指出可以通过增加透镜数目、减少衍射效应、控制聚光镜的像差三个方面来提高辐照面的均匀性,为太阳模拟器的光学系统设计提供了有益的参考。最后,在理论研究的基础上,本文研制了准直式太阳模拟器和投影式太阳模拟器,分别详细介绍了太阳模拟器光学系统设计的过程与结果,研制光棒式光学积分器,提高了照明的均匀性,设计了三片式准直光学系统和物方远心投影光学系统,改善了传统同轴式太阳模拟器的光学性能,通过系统仿真分析和实际检测验证了光学系统设计的合理性,并分析了太阳模拟器的未来发展趋势,对于将来太阳模拟器的小型化、高效化、高性能的研究提供了借鉴,促进了空间环境模拟技术的发展,并具有非常重要的现实意义。