航天载荷标定、热平衡试验要求大面积太阳光模拟器给出均匀照射。面积放大不带来辐照均匀性。研究表明太阳光模拟器光学系统的难点在聚光、匀光与投影。把自由曲面聚光器、光学积分器和远心投影系统串成一条光路。大面积辐照系统在 1200 mm×1200 mm 面内，不均匀性压到 2% 以内。
大面积太阳光模拟器的整体光路：自由曲面聚光器 → 光学积分器 → 物方远心投影系统 → 照射面
大面积太阳光模拟器的均匀性问题
有效辐照面积是满足最低辐照度要求的区域，空间均匀性描述这块区域的能量起伏。两者是独立指标，不能互相替代。大面积辐照系统扩大照射范围后，边缘光线更难控，中心与边缘的差异会被放大。热平衡试验要求在数百毫米到米级尺度上压住这种差异，否则局部过热会直接进到测量结果里。
辐照不均匀性怎么算
ε = (Emax - Emin) / (Emax + Emin) × 100%
其中Emax和 Emin分别是评价区域内的最大与最小辐照度。比值越小，辐照均匀性越好。它衡量区域内最亮处与最暗处的差距。评价区域、采样点数和测量条件一变，算出的数就差很多。
自由曲面聚光器的工作原理
光线映射与能量分布优化
自由曲面聚光器调整反射面局部轮廓，改变不同出射角光线的传播方向。依据能量守恒和反射定律，把光源各角度的能量映射到目标面的对应环带，进入匀光系统的入射光场因此更平坦。这一步只解决入射光场，匀光还得靠积分器。氙灯太阳光模拟器就是扩展光源，面积一大，点光源算出的面形就失配，论文用贝塞尔曲线拟合再退火。
光源出射角区间与目标面环带的能量映射（A）剖面关系；（B）目标面上的同心环带
自由曲面与传统椭球聚光器的区别
传统椭球聚光器第二焦面的能量呈中心高、边缘低的高斯分布，因为曲面把中心能量聚得更紧。自由曲面光学设计改的是轮廓，削掉这个梯度。2023 年那篇 iScience 论文在第二焦面上做过对比，自由曲面的不均匀性明显低于传统椭球。但差距依赖光源尺寸和评价口径，不能外推成所有设备的固定倍数。
光学积分器与远心投影协同
光学积分器把入射光束切成多个子通道，再由对应的投影透镜把小像叠到同一平面。常见做法是数十个方形单元，论文用了 36 通道。轴外球差和彗差会让小像变形、落进相邻通道，叠出来的面就花了，所以每一路都得单独校正。
投影段把积分器出射的平行光收拢成像。论文用透射式物方远心结构，小口径镜组就铺满 1200 mm 见方面。大面积辐照系统一放大面积，约束跟着变：口径、相对孔径、光瞳衔接，动一项，另两项就得重排。
物方远心投影系统光路：叠加聚光镜组 → 虚像面 → 成像投影镜组
仿真结果与光学装调误差
不同聚光方案的均匀性对比
研究给出的仿真数据是：在Φ600 mm评价区域，自由曲面方案不均匀性约0.73%，椭球方案约2.5%；在Φ1200 mm区域，分别为1.49%和4.51%。这些数字来自特定仿真条件，图表口径与实际测量可能存在差异，使用时需进一步核对原文评价方法。
两种聚光方案的辐照不均匀性对比
面形精度与装调偏差的影响
在 LightTools 里把太阳光模拟器光学系统的面形精度、聚光角度偏移和三个子系统位置逐个偏开。面形精度要优于 10 μm；达不到，大角度杂散光上升，场镜的光漏进相邻通道，照射面冒出异常点。轴向和垂直偏差压到 0.2 mm 以内，投影偏移放到 0.4 mm 仍在设计范围内。
三段光路的公差窗口与误差敏感度
大面积太阳光模拟器的选型和应用
LED 和氙灯是两条路线。氙灯太阳光模拟器，光谱接近太阳、功率变化时漂移小。LED 寿命长、可调性强，受单管功率限制，大面积高辐照下光谱拼接和太阳模拟器均匀性都更难做。太阳光模拟器选型不该只看光源名称，还要看照射面积、光谱匹配等级、太阳模拟器辐照度能不能到 1353 W/m²。
航天任务不只要面积和均匀性。光谱匹配到什么等级、太阳模拟器辐照度能不能长期稳住、试验要跑多久，都得一起算。按 IEC 60904-9:2020 判为 A 级，光谱匹配和辐照不稳定度同样是 A 级；滤光和电源设计要另外补。
太阳光模拟器的三段光路要一起设计，才决定辐照均匀性。自由曲面先压住入射光场的起伏，积分器靠通道叠加抹平残差，远心投影把虚像放大到 1200 mm 见方。大面积辐照系统选型时，把有效辐照面积、评价区内的太阳模拟器均匀性、光谱和稳定性放在同一套条件里比。条件不齐，数就没法比。
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原文参考：Shi Liu, Jierui Zhang, Yu Zhang, Shuowei Zhang, Songzhou Yang, Guoxing Zou, Liquan Liu. Overall study of solar simulation optical system with large irradiated surface using free-form concentrator to improve uniformity[J]. iScience, 2023, 26(10): 107781. DOI: 10.1016/j.isci.2023.107781.
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