新型LED太阳模拟器光学系统模块设计及仿真

  ：针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题，基于光电一体化二次光学设计，提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统模块设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源，通过混光棒和微结构可以进行匀光，最后利用抛物面镜实现光线的准直输出，基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统来进行模拟仿真与分析优化，实验根据结果得出：在直径为260mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。

  太阳模拟器利用人工光源模拟太阳光辐照，能提供与太阳光谱分布相匹配的、均匀的、准直稳定的光辐照，在航空航天、气象、民用等领域应用广泛[1]。目前，国内外使用的大部分太阳模拟器的光学系统仍是针对氙灯光源设计的，虽然氙灯的光谱线最接近自然太阳光照，但采用氙灯光源，仍具有寿命短、产热高、体积大、能量利用率低等缺陷。发光二极管（LED）是继白炽灯、荧光灯之后的第3次光源革命。相比传统光源，具有寿命长、发光效率高、光强稳定、可精确控制、近似点光源等优势。因此，研制以LED为光源的太阳模拟器具有低碳环保、稳定性很高、价格低等优点，并慢慢的变成为众多科研单位或生产企业竞相研究的热点。国内外有一些基于LED光源的太阳模拟器的研究，Tsuno等人[5]研究的太阳模拟器有效辐照面为100 mm×100 mm，其光源尺寸为335 mm×335 mm，包含2 304颗LED。Kohraku等人根据晶硅电池对不同波长的光谱响应和LED的电流－电压（IV）特性曲线等参数设计了一款LED太阳模拟器。周卫华等人[7-8]通过不同峰值波长的LED组合对太阳光光谱匹配进行了相关研究。以上研究都只对模拟器的部分性能进行了研究，孙健刚等人研究的LED太阳模拟器在直径为220 mm的有效辐照面上辐照度不均匀度为3.8 %，准直角为3.2°。本设计采用8种不同波长的LED芯片，利用小角度准直透镜整形光束、抛物面镜聚光、光学积分器匀光等措施，提出了一种基于LED阵列光源的新型太阳模拟器，以提高LED太阳模拟器的准直性、辐照均匀性等性能指标。

  本设计实现的LED太阳模拟器采用的是多灯具反射式同轴准直系统，如图1所示，该系统主要由各种峰值波长的大功率LED、小角度准直透镜、抛物面镜、混光棒等组合而成。LED太阳模拟器用不同峰值波长的LED组合作为光源，LED发出的朗伯光经透镜后形成平行光束，通过抛物面镜会聚后到达混光棒内，在混光棒内充分混光后，形成均匀的辐射光束,再利用抛物面镜平行出射，在一定距离的测试面上会形成一个辐照均匀的辐照面，迎着光线的方向看去，就像来自“无穷远”处的太阳，从而模拟了太阳光辐照。

  LED发出的光是近似朗伯分布的，有必要进行二次配光设计，改变光线输出方向，实现光路准直。采用最新研发的小角度准直透镜进行光线所示。透镜基于面光源和边缘光线理论设计，其发散角的边缘光线来源于光源的端点。

  图2.小角度透镜的二维轮廓 Fig.2Two-dimensionalprofileofsmallanglelens

  为解决光谱匹配问题，本设计选定的光源由单个LED芯片组成。该光源根据AM1.5太阳光谱曲线nm、700nm～800nm、800nm～900nm、900nm～1000nm、1000nm～100nm各波段内分别选择一种LED芯片，阵列排布在基板上，通过调整不同波段内对应LED芯片的光强值，实现近太阳光光谱。

  本文设计了一款基于LED阵列光源，采用多灯具反射式同轴准直系统的太阳模拟器，利用光学软件LightTools通过蒙特卡罗光线追迹法对光学系统来进行仿真模拟，结果显示在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。且本设计采用的混光棒与微结构的组合能够充分打乱光线，有很好的匀光效果，抛物面镜的聚光能力不受阵列的限制，增加阵列LED光源模块的数量可大幅度的提升功率和光谱匹配性，为大功率LED太阳模拟器的进一步研究奠定了一定的基础。

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