太阳模拟器是在实验室内模拟太阳辐照的光学仪器,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,以满足太阳能光伏组件的标定、卫星姿态部件的测试标定、遥感技术中太阳光谱辐照模拟、材料的老化性能测试等领域的需求。然而,现有太阳模拟器光学系统还存在一定的不足,如在对大面积的辐照光斑进行模拟时,难以保证较高的辐照度和辐照均匀度,无法满足当前越来越迫切的辐照模拟需求。为此,本文以实现大辐照面下的高均匀性太阳辐照模拟为目标,开展了大口径反射式太阳模拟器光学系统的设计与研究,着重研究了提高辐照度和辐照均匀度的方法,论文的研究对提升太阳模拟技术具有一定理论意义和应用价值。对太阳模拟技术的国内外现状进行了整理与分析,归纳现有太阳模拟器研制中存在的问题。基于太阳辐射和非成像光学基础理论,提出了一种由复合光源、匀光系统和准直系统共同构成的光学系统设计方案,给出了系统的工作原理,明确了系统的设计指标。为实现大面积高辐照度高均匀度的太阳辐照模拟,研究了复合光源设计方法,克服了大面积辐照光斑辐照度不高的难题,设计了由3组3000W氙灯和Φ300mm口径椭球聚光镜组成的复合光源,确定了复合光源的空间布局方式,为系统提供了足够的辐照能量,保证了辐照度可达到一个太阳常数;探究了匀光系统的设计方法,对光学积分器进行了设计与优化,提出了利用消串扰光阑来消除串扰光线,确定了消串扰光阑的结构和参数,减小了复合光源引入的超出9.462°的大角度光线对辐照均匀度的影响问题,实现了对光束的高效匀化,提高了辐照均匀度;设计了口径Φ560mm、离轴量为400mm的离轴抛物面准直镜,并以椭球镜第二焦点为中心对复合光源进行垂直向下整体偏转2.5°,以解决离轴量造成的辐照面失对称的问题,同时,设计了口径为Φ47.13mm的视场光阑,配合离轴抛物面准直镜,实现了太阳准直角模拟。利用Light Tools软件对大口径反射式太阳模拟器光学系统进行仿真分析,结果表明:在工作距离1500mm处,Φ500mm辐照面内,辐照不均匀度为±1.93%。辐照度最大值为1641W/m~2,准直角为±1°,由此验证了所设计的大口径反射式太阳模拟器光学系统的可行性和正确性。分析了满足辐照特性要求前提下,系统允许的最大角度误差、轴向位移误差和垂轴位移误差,为系统后续的装调公差分配提供了理论依据。