定制大面積紅外太陽光模擬器

該太陽模擬器可提供具有高空間均勻性和景深的紅外波長照明

Custom Large Area IR solar simulator

This solar simulator provides illumination in the Infrared wavelengths  with high spatial uniformity and depth of field

客戶需求

Sciencetech為認可的消費電子量身定制了該太陽模擬器。該太陽模擬器將在其研發(fā)中心用于測試電子硬件和半導體。

該系統(tǒng)發(fā)射的紅外波長在700-1100nm范圍內(nèi)，并在1個太陽強度下照射1.0 x 1.0 m²和1.5 x 1.5 m²的目標區(qū)域。下表總結了客戶的要求：

目標區(qū)域：照明1.5 x 1.5m2
頻譜：*（ASTM E927）
波長范圍：700nm至1100nm
強度：相當于700 nm至1100 nm范圍內(nèi)的1個太陽輻照度
均勻度：1 x 1 m2：±10％（ASTM E927）
1.5 x 1.5m2：±30％（ASTM E927）
景深：±15cm，變化≤±5％（ASTM E927）
衰減：10級，從0.1太陽到1.0太陽
時間不穩(wěn)定性：*（ASTM E927）
啟動：≤15秒

復雜的技術要求

●需要使用太陽模擬器將太陽光譜與700 nm至1100 nm的近紅外區(qū)域中的A類光譜匹配進行匹配。
●需要光學系統(tǒng)在相對較大的3維體積（1.5×1.5 x 0.5 m3）上產(chǎn)生均勻的光場。
●實驗室空間的限制是對系統(tǒng)設計的額外限制。
●客戶要求光線從偏軸角度照亮垂直目標平面。這是由于其內(nèi)部設置需要在目標平面正前方的自由空間。使光線傾斜是直觀的解決方案。
●需要科學技術的工程團隊進行廣泛的研究和開發(fā)，以從請求的離軸角度照亮目標平面，同時仍保持三維體積均勻性。
●必須配置和確定實現(xiàn)所需光譜形狀的適當光源，光學設置和濾波方案。
●考慮到要放置的房間的限制，還需要太陽能模擬器系統(tǒng)來維持整體溫度。
●另外，客戶要求限制聲級，這需要進行額外的測試和重新設計工作，其中涉及太陽模擬器系統(tǒng)的內(nèi)部工作。
●必需的輸出輻照度必須逐步降低至大功率輸出的10％。需要進一步的重新設計和研究以實現(xiàn)光源的衰減同時保持均勻性。

構思和設計系統(tǒng)

當光源的光軸垂直于目標平面時，目標平面的所有邊緣都具有對稱性。此屬性用于所有標準太陽模擬器的設計中，以生成空間均勻的光場。

標準的太陽模擬器產(chǎn)生垂直于光源光軸的空間均勻的目標平面。當光源的光軸垂直于目標平面時，目標平面的所有邊緣都具有對稱性。當可以使用這種對稱性時，更容易實現(xiàn)空間均勻性。根據(jù)客戶要求，需要將太陽模擬器放置在與目標平面光軸大約30°的位置。因此，需要通過研究和開發(fā)新的光學均質(zhì)系統(tǒng)來實現(xiàn)空間均勻性。

定制大面積紅外太陽光模擬器預計將要制造的投影儀單元的模擬模型

光線追蹤模型

i）光學建模

科學技術工程團隊使用了廣泛的光學建模來模擬單個投影儀和均質(zhì)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在所需體積上實現(xiàn)空間均勻的光線。后來，排列了一個包含多個投影儀系統(tǒng)的太陽模擬器，并使用光學建模軟件優(yōu)化了投影儀的位置，以實現(xiàn)均勻的光量。

當組合了不同的光學材料和光源時，制作了一個特殊的軟件來模擬終的光譜輪廓。選擇并評估了許多濾光片和光源，以確定是否可以找到光源，光學器件（如透鏡和反射鏡）以及濾光片的理想組合。選擇理想的光學組合時，對項目的預算給予了特別關注。考慮到石英鎢鹵素燈（QTH）的平滑IR發(fā)射，它被確定為模擬光的*佳光源。

對單個投影機進行測試以評估均勻性和穩(wěn)定性。

為了進一步測試，開發(fā)了用于測量三維空間均勻性的模擬光柵。

ii）測試系統(tǒng)的耐用性

進行了耐溫測試，以確定所選的光學材料和濾光片是否可以在燈的高光功率輸出下幸免。還進行了測試，以確定所需的空氣流量，用于系統(tǒng)冷卻目的的風扇的類型和位置。

iii）輻射衰減

進行光學建模以確定衰減器的*佳尺寸和位置，使其能夠滿足項目的衰減要求。

原型設計實施

八個投影儀單元用于所需目標區(qū)域的設計和照明。每個光學投影儀單元都由一個2 kW QTH燈組成，該燈帶有一個固定在橢圓形反射鏡中的石英外殼。每個單元還包含一個均質(zhì)組件，以實現(xiàn)所需的均勻性要求。在精心設計和微調(diào)系統(tǒng)后，成功實現(xiàn)了空間均勻性規(guī)范。

此外，QTH燈系統(tǒng)還集成了物鏡和投影透鏡，以及用于消除不想要的波長范圍的長通濾光鏡。

在整個三維體積上，光功率足以在700-1100nm區(qū)域中達到所需的功率水平。當測量700nm-1100nm光譜輸出時，系統(tǒng)在目標平面上提供了所需的輻照度（ASTM E927）。光譜輸出的形狀與700-1100nm波長的ASTM AM1.5G曲線匹配。工作距離也被設置為可調(diào)的，以適應兩種不同的焦距。

設計并生產(chǎn)了一種廉價的光學系統(tǒng)，以實現(xiàn)預期的空間均勻性，光譜和光功率。使用風扇將光學元件和濾光片充分冷卻。該系統(tǒng)能夠以10％的增量衰減輸出輻照度，同時保持輸出光的空間均勻性。

測試與安裝

該系統(tǒng)已成功完成，并且由科學技術工程師在客戶實驗室所在地進行了安裝和培訓。

終的太陽光模擬器系統(tǒng)可照亮1.5m x 1.5m的目標區(qū)域