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定制大面積紅外太陽光模擬器

2023-12-22

該太陽光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(rèn)可的消費(fèi)電子供應(yīng)商量身定制了該太陽光模擬器。該太陽光模擬器將在其研發(fā)中心用于測試電子硬件和半導(dǎo)體。

     

太陽光模擬器

     

    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(qiáng)度下照射1.0 x 1.0 m2和1.5 x 1.5 m2的目標(biāo)區(qū)域。下表總結(jié)了客戶的要求:

     

    目標(biāo)區(qū)域:照明1.5 x 1.5m2 

    頻譜:A級(ASTM E927)

    波長范圍:700nm至1100nm

    強(qiáng)度:相當(dāng)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:A級(ASTM E927)

    啟動:≤15秒

     

復(fù)雜的技術(shù)要求

    ? 需要使用太陽光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(jìn)行匹配。

    ? 需要光學(xué)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(shí)驗(yàn)室空間的限制是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額外限制。

    ? 客戶要求光線從偏軸角度照亮垂直目標(biāo)平面。這是由于其內(nèi)部設(shè)置需要在目標(biāo)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(xué)技術(shù)的工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行廣泛的研究和開發(fā),以從請求的離軸角度照亮目標(biāo)平面,同時仍保持三維體積均勻性。

    ? 必須配置和確定實(shí)現(xiàn)所需光譜形狀的適當(dāng)光源,光學(xué)設(shè)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(jìn)行額外的測試和重新設(shè)計(jì)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**功率輸出的10%。需要進(jìn)一步的重新設(shè)計(jì)和研究以實(shí)現(xiàn)光源的衰減同時保持均勻性。

     

構(gòu)思和設(shè)計(jì)系統(tǒng)

    當(dāng)太陽光模擬器光源的光軸垂直于目標(biāo)平面時,目標(biāo)平面的所有邊緣都具有對稱性。此屬性用于所有標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器的設(shè)計(jì)中,以生成空間均勻的光場。

     

    標(biāo)準(zhǔn)的太陽光模擬器產(chǎn)生垂直于光源光軸的空間均勻的目標(biāo)平面。當(dāng)光源的光軸垂直于目標(biāo)平面時,目標(biāo)平面的所有邊緣都具有對稱性。當(dāng)可以使用這種對稱性時,更容易實(shí)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(biāo)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(xué)均質(zhì)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)空間均勻性。

     

太陽光模擬器光線追蹤模型
光線追蹤模型

     

    i)光學(xué)建模

    科學(xué)技術(shù)工程團(tuán)隊(duì)使用了廣泛的光學(xué)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(shí)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(xué)建模軟件優(yōu)化了投影儀的位置,以實(shí)現(xiàn)均勻的光量。

     

    當(dāng)組合了不同的光學(xué)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(xué)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(xué)組合時,對項(xiàng)目的預(yù)算給予了特別關(guān)注。考慮到石英鎢鹵素?zé)簦≦TH)的平滑IR發(fā)射,它被確定為模擬光的**光源。

     

    對單個投影機(jī)進(jìn)行測試以評估均勻性和穩(wěn)定性

     

    為了進(jìn)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(jìn)行了耐溫測試,以確定所選的光學(xué)材料和濾光片是否可以在燈的高光功率輸出下幸免。還進(jìn)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(fēng)扇的類型和位置。

     

    iii)輻射衰減

    進(jìn)行光學(xué)建模以確定衰減器的**尺寸和位置,使其能夠滿足項(xiàng)目的衰減要求。

     

原型設(shè)計(jì)實(shí)施

    八個投影儀單元用于所需目標(biāo)區(qū)域的設(shè)計(jì)和照明。每個光學(xué)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(shí)現(xiàn)所需的均勻性要求。在精心設(shè)計(jì)和微調(diào)系統(tǒng)后,成功實(shí)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(dá)到所需的功率水平。當(dāng)測量700nm-1100nm光譜輸出時,系統(tǒng)在目標(biāo)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(shè)置為可調(diào)的,以適應(yīng)兩種不同的焦距。

     

    設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一種廉價的光學(xué)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的空間均勻性,光譜和光功率。使用風(fēng)扇將光學(xué)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(xué)技術(shù)工程師在客戶實(shí)驗(yàn)室所在地進(jìn)行了安裝和培訓(xùn)。

     

太陽光模擬器

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