LED 太陽光模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需通過“光源系統(tǒng) -聚光鏡-光學(xué)積分器-準(zhǔn)直反射鏡”的處理，通過多部件協(xié)作模擬太陽輻照，平衡準(zhǔn)直性、均勻性與光譜匹配性。光源系統(tǒng)用特定準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散角降至2° 內(nèi)，按AM1.5匹配光譜，聚光鏡用拋物面鏡減損耗，光學(xué)積分器靠反射勻光，準(zhǔn)直反射鏡出平行光斑。紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox依托集團(tuán)近20 年高端檢測(cè)裝備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn) LED、鹵素?zé)?、氙燈三大技術(shù)路線覆蓋，下文將詳解LED 太陽光模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

LED 太陽光模擬器的組成及工作原理

luminbox

LED太陽模擬器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

LED 太陽光模擬器主要由LED光源、小角度準(zhǔn)直透鏡、拋物面鏡、光學(xué)積分器等構(gòu)成。LED 太陽光模擬器工作時(shí)，LED光源發(fā)出朗伯光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后形為平行光束，該光束由拋物面鏡會(huì)聚后進(jìn)入光學(xué)積分器，發(fā)生多次反射，每次反射形成虛擬光源，最終通過多虛擬光源疊加實(shí)現(xiàn)光線均勻化；勻光后的光束再經(jīng)拋物面鏡平行出射，在一定距離的測(cè)試面上形成均勻輻照面，從迎光方向看像來自“無窮遠(yuǎn)” 處的太陽，從而模擬太陽光輻照。

光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

luminbox

1.準(zhǔn)直光設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直后配光曲線

LED 發(fā)出的光線呈朗伯分布，發(fā)散角大（半角通常大于 60°），需通過二次配光實(shí)現(xiàn)光路準(zhǔn)直。設(shè)計(jì)中采用基于面光源與邊緣光線理論的小角度準(zhǔn)直透鏡，透鏡材料選用折射率1.49 的聚甲基丙烯酸甲酯，透光率高、加工成本低。LED 光源通過透鏡對(duì)光線的折射調(diào)控，可將光線發(fā)散角（半角）降至 2° 以內(nèi)。這一設(shè)計(jì)能確保光線集中入射至光學(xué)積分器口徑內(nèi)，顯著提升光能利用率，為后續(xù)勻光與準(zhǔn)直奠定基礎(chǔ)。

2.光譜設(shè)計(jì)

光譜匹配性是模擬自然光的核心指標(biāo)，需依據(jù)AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，進(jìn)行LED 芯片選型與組合。設(shè)計(jì)中覆蓋 300nm~1100nm 光譜范圍，在 8 個(gè)關(guān)鍵波段（300~400nm、400~500nm、500~600nm、600~700nm、700~800nm、800~900nm、900~1000nm、1000~1100nm）分別選取單波段 LED 芯片，以陣列形式排布于基板。通過精準(zhǔn)調(diào)控各波段LED 芯片的驅(qū)動(dòng)電流與光強(qiáng)輸出，可實(shí)現(xiàn)與AM1.5 光譜的高相似度匹配，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光譜的需求。

聚光鏡設(shè)計(jì)

luminbox

拋物面鏡聚光模擬

聚光鏡采用拋物面鏡，其光學(xué)特性為：平行于對(duì)稱軸的光線經(jīng)反射后都可匯聚于單一焦點(diǎn)，且無幾何像差，同時(shí)滿足光路可逆性（焦點(diǎn)處光源發(fā)出的光線經(jīng)反射后可形成平行光）。設(shè)計(jì)參數(shù)需與準(zhǔn)直透鏡陣列匹配，確保準(zhǔn)直透鏡輸出的平行光可高效匯聚至焦點(diǎn)位置，而焦點(diǎn)處恰好對(duì)應(yīng)后續(xù)勻光部件的輸入端口，最大化減少光能損耗。

光學(xué)積分器設(shè)計(jì)

luminbox

光學(xué)積分器作為核心勻光部件，通過光線在其內(nèi)壁的多次全反射，將匯聚后的非均勻光線轉(zhuǎn)化為均勻光束。其勻光原理為：入射光線在混光棒內(nèi)壁反射時(shí)，會(huì)形成多個(gè)“虛擬光源”，最終通過多虛擬光源的疊加實(shí)現(xiàn)出射光的均勻化。設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮三個(gè)參數(shù)：一是截面形狀，正方形或正六邊形截面可實(shí)現(xiàn)更高的照明均勻性；二是長度，過長會(huì)導(dǎo)致光能損耗增加，過短則勻光不充分；三是入射光空間和角度分布。

準(zhǔn)直反射鏡的設(shè)計(jì)

luminbox

經(jīng)光學(xué)積分器勻光后的光線雖均勻性優(yōu)異，但需通過準(zhǔn)直反射鏡實(shí)現(xiàn)大尺寸光斑的平行輸出。雖然太陽光模擬器的成像系統(tǒng)并不以提高成像質(zhì)量為目的，但是大的像差會(huì)降低太陽模擬系統(tǒng)輻照面的光能利用率。因此設(shè)計(jì)中可采用拋物面鏡來進(jìn)行準(zhǔn)直，把拋物面鏡頂端打通，將光學(xué)積分器的輸出端口放在拋物面焦點(diǎn)位置。

綜上，LED 太陽光模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是各核心部件精準(zhǔn)協(xié)同的工程：光源系統(tǒng)通過準(zhǔn)直透鏡降發(fā)散角、多波段芯片匹配AM1.5 光譜，聚光鏡銜接焦點(diǎn)減少光能損耗，光學(xué)積分器以合理參數(shù)保障勻光效果，準(zhǔn)直反射鏡最終實(shí)現(xiàn)大尺寸平行光斑輸出，每一環(huán)均緊扣“高效傳光、精準(zhǔn)模擬” 目標(biāo)，為相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究與技術(shù)創(chuàng)新提供設(shè)備基礎(chǔ)。

Luminbox大面積LED太陽模擬器

luminbox

紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox全光譜大面積LED太陽模擬器以A+AA+綜合性能，實(shí)現(xiàn)輻照均勻、光譜精準(zhǔn)與運(yùn)行穩(wěn)定的三重突破，通過權(quán)威認(rèn)證，為材料測(cè)試提供高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的全光譜光照解決方案，推動(dòng)光催化活性測(cè)試邁向更高精度與可重復(fù)性。

A+級(jí)光譜匹配：300-1200 nm全覆蓋，誤差≤1%（IEC標(biāo)準(zhǔn)）。

高均勻輻照：45cm×45cm區(qū)域不均勻度僅1.8%（A級(jí)）。

超穩(wěn)運(yùn)行：20分鐘波動(dòng)≤0.5%（A+級(jí)）。

權(quán)威認(rèn)證：國家計(jì)量院校準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)。

工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)：適配光伏、材料、光催化等多場(chǎng)景。

紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox憑借對(duì)光譜匹配度、輻照均勻性等核心指標(biāo)的極致追求，已構(gòu)建起覆蓋LED/氙燈/鹵素?zé)?/strong>全技術(shù)路線的產(chǎn)品矩陣，技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、關(guān)鍵性能指標(biāo)表現(xiàn)出色，為客戶提供了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和全場(chǎng)景太陽光環(huán)境模擬解決方案。