太阳模拟器是一种在地面上模拟太阳光辐照特性的试验与测试设备。现有太阳模拟器受其光学系统成像关系、聚光系统与匀光系统参数制约等因素的影响,只可在固定工作距离处,实现特定辐照面内高均匀度的太阳辐射模拟,但无法实现辐照均匀度高、工作距离与辐照面积可变的太阳辐射模拟,从而制约了太阳模拟器的发展与应用。为此论文研究并设计了一种辐照均匀度高、工作距离与辐照面积可变的发散式太阳模拟器光学系统,对提升太阳模拟器性能,扩展应用领域方面具有一定的理论意义和应用价值。论文在研究分析非成像光学理论在太阳模拟器设计中应用的基础上,论述了发散式太阳模拟器的组成、总体结构和工作原理,并着重对其光学系统进行了研究与设计。基于环带聚光、成像匀光和截止滤光等技术,提出了一种发散式太阳模拟器光学系统总体设计方案。通过对现有光源的对比分析,选取氙灯作为系统光源;结合氙灯发光特性和系统光路结构,研究了一种基于环带理论的椭球聚光系统设计方案,优化设计了一种大包容角、高成像倍率的椭球聚光系统,实现了光源能量利用率的提高。分析了现有器件的匀光原理,研究了一种利用光学积分器实现匀光的光学系统设计方案。结合光源特性、系统发散角、光路成像以及拉赫不变量等因素,优化设计了一种基于成像理论的匀光系统,提高了辐照均匀性。研究了基于嵌套模型的氙灯建模方法,并结合其他光学元件,对发散式太阳模拟器光学系统进行了整体建模仿真与分析,验证了光学系统的主要技术指标均满足设计要求;同时分析了氙灯、积分器离焦对系统辐照均匀性的影响,为光学系统装调奠定了理论基础。提出了一种基于自准原理的发散式太阳模拟器光学系统装调方法,通过建立基准光轴,实现了转向平面反射镜和光学积分器的同轴装配,提高了辐照均匀性。实测结果表明:工作距离为6m、8m、10m时,辐照面分别为Φ1.2m、Φ1.6m、Φ2.0m,辐照不均匀度分别为3.3%、4.1%、4.7%,均满足技术指标的要求。