太阳模拟器是一种模拟太阳光辐照特性的试验与测试设备,它可在地面上模拟出一种与真实的太阳光在辐照度、均匀性、光谱分布、准直稳定等光学特性相接近的光源。太阳模拟器在太阳能利用、太阳敏感器测试标定、遥感技术、新材料试验测量等方面具有广泛的用途。本文提出了采用同轴透射式光学系统的设计方案,着重对太阳模拟器光学系统进行了优化设计。为评价太阳模拟器光学系统的整体性能,基于非成像光学的光学扩展量概念,从照明系统即氙灯、椭球聚光镜和光学积分器到投影成像系统即准直系统进行光学匹配,并从拉赫不变量的角度分析了能量在整个系统中的传递情况,得出椭球聚光镜、光学积分器和准直物镜这三者相对孔径相互之间存在的最佳匹配关系,即三者相互之间的相对孔径相等,满足光瞳衔接原理,并验证了整个系统从物面到像面的拉赫不变量是守恒的,提高了系统的整体性能。通过照明设计软件Lighttools对太阳模拟器整体系统进行建模并进行蒙特卡罗光线仿真,验证方案的可行性,理论仿真分析结果表明,所设计的太阳模拟器达到了辐照不均匀性=±4.3%的技术要求。