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CN114165748A - 一种多段光谱可调稳态太阳模拟器 - Google Patents

一种多段光谱可调稳态太阳模拟器 Download PDF

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Abstract

一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，包括高匹配的初级特定光谱系统、多波段精细调节系统和匀光平行系统。高匹配的初级特定光谱系统利用光源与滤波片产生所需的高匹配特定光谱。多波段精细调节系统对所需不同谱段的光谱进行辐射强度的调节，调节后送至匀光平行系统。匀光平行系统对调节后的光谱进行平行化处理，使得最终到达测试平面的光斑更加平行均匀。本发明太阳模拟器光谱匹配好、均匀性好，可实现多段光谱灵活调节。

Description

一种多段光谱可调稳态太阳模拟器
技术领域
本发明属于科学测试仪器技术领域，涉及一种太阳模拟器技术，适用于多结太阳电池光电性能测试时的太阳光模拟。
背景技术
太阳光模拟器可用于光电探测器的测量以及光照试验等方面，尤其在太阳电池光电性能测试领域，是非常重要的组成部分。太阳电池光电性能与太阳光谱分布紧密相关，因此，对于太阳光模拟器不仅要求光强一致，且光谱失配度要求也较高，故对于多结太阳电池的光电性能测量，要求太阳光模拟器与太阳电池多结结构相匹配，且能够实现多波段可调功能，满足多结太阳电池的精确测量，可应用于地面光谱、空间AM0光谱、火星光谱等深空探测领域的各种光谱应用环境。
目前，适用于多结太阳电池测试的多波段可调太阳模拟器主要包括两大类：
一类是单光源组合多波段滤波片的复眼结构，典型结构示意图如图1所示。其中，单光源可采用氙灯、金卤灯等光源；点光源经椭球面反射镜聚光后透射到反射镜上，依据光学设计经多次反射后经过光学积分器，并在出光处配合多波段滤波片组，由复眼光再次组合投射到一个光学平面上，可依据出光方式要求不同增加光路改变反射镜。一方面，此技术路线光程较长，需要较大功率的灯源，功耗较大；另一方面，因单个复眼的光照不均匀，且受辐照面积的限制，因此，经多个复眼出来的调节光再次组合形成的光斑辐照均匀性较差，且辐照面积也较小，可调波段数越多，此特性越差。
第二类是多光源技术，即根据太阳电池的结数配置相同数量的光源与滤波片，典型结构示意图如图2所示。首先，根据不同波段要求选择不同的灯源，常规短波段选择氙灯或金卤灯，长波段选择卤钨灯；然后，各点光源通过椭球面反射镜聚焦到分束镜，最终汇聚到一个光学积分器匀光后，依据出光方式选择相应的光路改变反射镜，最终经准直径给出一束光斑。一方面，由于多光源组合多滤波片太阳模拟器结构光源较多，且光路结构复杂，且需经过多个合束镜后衰减较多，可调波段数越多，难度越大；另一方面，因多个光源受辐照面积的限制，照射光斑较小，且成本较高，尤其是四波段以上的可调太阳模拟器难度更大，成本更高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光谱匹配好、均匀性好、调节灵活、大面积光斑、可实现多段光谱可调的低成本稳态太阳模拟器。
本发明的技术解决方案是：一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，包括：高匹配的初级特定光谱系统、多波段精细调节系统和匀光平行系统，其中：
高匹配的初级特定光谱系统：利用光源与滤波片产生所需的光谱；
多波段精细调节系统：对所需不同谱段的光谱进行辐射强度的调节，调节后送至匀光平行系统；
匀光平行系统：对调节后的光谱进行平行化处理，使得最终到达测试平面的光斑更加平行均匀。
可选的，所述的高匹配的初级特定光谱系统包括：光源、椭球面反射镜和特定光谱滤波片，其中光源产生初始的点状光，光源位于椭球面反射镜的焦点位置，光源的点状光经椭球面反射镜反射出来形成近似平行光；特定光谱滤波片对近似平行光进行滤波处理，滤除高于所需求光谱强度的部分光谱，使得最终获得的光谱在需求波长范围内，满足特定光谱需求的失配度。
可选的，所述的光源选用氙灯、金卤灯或者卤钨灯。
可选的，所述的椭球面反射镜由金属材质经抛光后蒸镀铝膜或银膜，并加镀防氧化保护膜。
可选的，所述的多波段精细调节系统包括：陷波滤镜组、多波段补偿LED模组、合束镜，陷波滤镜组对入射光的能量进行调节，使得特定谱段的光谱的总强度稍低于其标准强度；多波段补偿LED模组用于补偿不同需求波段内的总辐射强度；合束镜将多波段补偿LED模组的补偿光以及经陷波滤镜组修正后的多谱段光谱进行汇聚叠加后，向下一级照射。
可选的，所述的多波段补偿LED模组包括散热系统、供电电路板、LED阵列和第一菲涅尔透镜；LED阵列包括多组LED灯阵，每组LED灯阵根据所需求的不同光谱波段选择与之相对应发光特征峰的LED，通过调节各LED的能量补偿不同波段的修正后的光谱；供电电路板控制各LED的补偿量大小；第一菲涅尔透镜使LED阵列发出的光更加均匀与平行；散热系统为LED阵列进行散热处理。
可选的，所述的散热系统选用热沉结合散热片，或热沉结合散热风扇结构。
可选的，所述的陷波滤镜组有多组，每一组对应一个光谱谱段能量范围。
可选的，所述的匀光平行系统包括第二菲涅尔透镜、光学积分器和准直物镜，第二菲涅尔透镜使汇聚叠加后的光聚焦到光学积分器上；光学积分器将叠加光谱进行分割成为众多点光源，使光谱更加均匀；准直物镜将从光学积分器射出的众多点光源进行叠加后的光源进行平行化，照射到测试平面上，为太阳电池光电性能测试提供光源。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用主光源(氙灯或金卤灯或卤钨灯)与滤波片，可提供光谱失配度优于±12.5％；
(2)本发明采用菲涅尔透镜与光学积分器、准直镜组合，可获得更加均匀的光照面；
(3)本发明在低失配度的光斑上采用陷波滤镜+LED组合方式实现多波段精细且灵活调节，使多波段调节更灵活方便；
(4)本发明光路更短，光强衰减较小，转换效率更高；
(5)本发明可通过长光源的主光源实现更大辐照面积的光斑；
(6)本发明采用陷波滤镜+LED组合方式实现多波段调节，结构简单，成本更低。
附图说明
图1为现有单光源组合多波段滤波片复眼太阳模拟器结构示意图；
图2为现有多光源组合多滤波片太阳模拟器结构示意图；
图3为本发明多段光谱可调稳态太阳模拟器结构示意图。
附图标记：
10-灯源、11-椭球面反射镜、12-特定光谱滤波片；20-陷波滤镜组、21-合束镜、22-第一菲涅尔透镜、23-LED阵列、24-供电电路板、25-散热系统；30-第二菲涅尔透镜、31-光学积分器、32-准直物镜。
具体实施方式
如图3所示，本发明多段光谱可调稳态太阳模拟器包括：高匹配的初级特定光谱系统、多波段精细调节系统和匀光平行系统。
高匹配的初级特定光谱系统：作用是采用点光源或者长光源(可选用氙灯、金卤灯、卤钨灯等)经椭球面反射镜聚焦后通过特定光谱滤波片，可产生特定的光谱，如空间AM0光谱、地面AM1.5光谱等，经滤波后的光送至多波段精细调节系统。
多波段精细调节系统：作用是对高匹配的特定光谱依据不同需求波段的总强度的正负，决定是采用陷波滤镜滤除(正)还是LED光源补光(负)，对该特定光谱进行精细调节后，送至匀光平行系统。
匀光平行系统：对经过精细调节后的高匹配特定光谱进行平行处理，使得最终到达测试平面的光斑更加平行均匀。
高匹配的初级特定光谱系统包括：光源10、椭球面反射镜11、特定光谱滤波片12。光源10可选用氙灯、金卤灯、卤钨灯等灯源。光源10位于椭球面反射镜11的焦点位置，光源10的点光源经椭球面反射镜11反射出来近似平行光。椭球面反射镜11可由铝等金属材质经抛光后蒸镀铝膜或银膜与防氧化保护膜。特定光谱滤波片12是根据光谱需求对灯源辐射出来的光谱进行部分滤除较多高于所需求光谱强度的部分光谱，使得最终获得的光谱在需求波长范围内，满足特定光谱需求的失配度。例如空间AM0光谱系统中的滤镜可采用玻璃基材蒸镀选择性光学薄膜对光源光谱进行滤除后，使其与AM0光谱失配度可做到小于12.5％，达到A+级。
多波段精细调节系统包括：陷波滤镜组20、多波段补偿LED模组、合束镜21。陷波滤镜组20是一组用来降低所需调节波段总光强度的滤镜组，陷波镜陷波能量范围可选择(如25％、20％、15％、10％、5％)，使其总强度稍低于特定光谱标准强度。多波段补偿LED模组是用来高精度补偿不同需求波段内的总辐射强度。多波段补偿LED模组包括散热系统25、供电电路板24、LED阵列23、第一菲涅尔透镜22。LED阵列23为多组LED灯阵，每组LED灯阵是根据所需求的不同光谱波段选择与之相对应发光特征峰的LED组成，通过调节各LED能量补偿不同波段的修正后的光谱，其由供电电路板24控制各个LED的补偿大小，最终达到特定光谱标准强度。第一菲涅尔透镜22使LED阵列23发出的光更加均匀与平行。散热系统25是为保障LED阵列23正常工作而配置的散热装置，可选用热沉结合散热片，或热沉结合散热风扇结构。合束镜21使LED阵列23和经修正与陷光后的多谱段光谱与LED补偿光进行汇聚叠加后，向下一级照射。
匀光平行系统包括：第二菲涅尔透镜30、光学积分器31、准直物镜32。第二菲涅尔透镜30使汇聚叠加后的光聚焦到光学积分器上31。光学积分器31将叠加光谱进行分割为众多点光源，使光谱更加均匀。准直物镜32将从光学积分器31射出的众多点光源进行叠加后的光源进行平行化，照射到测试平面上，为太阳电池光电性能测试提供光源。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：包括：高匹配的初级特定光谱系统、多波段精细调节系统和匀光平行系统，其中：
高匹配的初级特定光谱系统：利用光源与滤波片产生所需的光谱；
多波段精细调节系统：对所需不同谱段的光谱进行辐射强度的调节，调节后送至匀光平行系统；
匀光平行系统：对经过调节后的特定光谱进行平行化处理，使得最终到达测试平面的光斑更加平行均匀。
2.根据权利要求1所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的高匹配的初级特定光谱系统包括：光源(10)、椭球面反射镜(11)和特定光谱滤波片(12)，其中光源(10)产生初始的点状光，光源(10)位于椭球面反射镜(11)的焦点位置，光源(10)的点状光经椭球面反射镜(11)反射出来形成近似平行光；特定光谱滤波片(12)对近似平行光进行滤波处理，滤除高于所需求光谱强度的部分光谱，使得最终获得的光谱在需求波长范围内，满足特定光谱需求的失配度。
3.根据权利要求2所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的光源(10)选用氙灯、金卤灯或者卤钨灯。
4.根据权利要求2所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的椭球面反射镜(11)由金属材质经抛光后蒸镀铝膜或银膜，并加镀防氧化保护膜。
5.根据权利要求1所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的多波段精细调节系统包括：陷波滤镜组(20)、多波段补偿LED模组、合束镜(21)，陷波滤镜组(20)对入射光的能量进行调节，使得特定谱段的光谱的总强度稍低于其标准强度；多波段补偿LED模组用于补偿不同需求波段内的总辐射强度；合束镜(21)将多波段补偿LED模组的补偿光以及经陷波滤镜组(20)修正后的多谱段光谱进行汇聚叠加后，向下一级照射。
6.根据权利要求5所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的多波段补偿LED模组包括散热系统(25)、供电电路板(24)、LED阵列(23)和第一菲涅尔透镜(22)；LED阵列(23)包括多组LED灯阵，每组LED灯阵根据所需求的不同光谱波段选择与之相对应发光特征峰的LED，通过调节各LED的能量补偿不同波段的修正后的光谱；供电电路板(24)控制各LED的补偿量大小；第一菲涅尔透镜(22)使LED阵列(23)发出的光更加均匀与平行；散热系统(25)为LED阵列(23)进行散热处理。
7.根据权利要求6所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的散热系统(25)选用热沉结合散热片，或热沉结合散热风扇结构。
8.根据权利要求5所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的陷波滤镜组(20)有多组，每一组对应一个光谱谱段能量范围。
9.根据权利要求1所述的一种多段光谱可调稳态太阳模拟器，其特征在于：所述的匀光平行系统包括第二菲涅尔透镜(30)、光学积分器(31)和准直物镜(32)，第二菲涅尔透镜(30)使汇聚叠加后的光聚焦到光学积分器(31)上；光学积分器(31)将叠加光谱进行分割成为众多点光源，使光谱更加均匀；准直物镜(32)将从光学积分器(31)射出的众多点光源进行叠加后的光源进行平行化，照射到测试平面上，为太阳电池光电性能测试提供光源。
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