該太陽(yáng)模擬器可提供具有高空間均勻性和景深的紅外波長(cháng)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(hù)需求

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

該系統發(fā)射的紅外波長(cháng)在700-1100nm范圍內，并在1個(gè)太陽(yáng)強度下照射1.0 x 1.0 m²和1.5 x 1.5 m²的目標區域。下表總結了客戶(hù)的要求：

目標區域：照明1.5 x 1.5m²

頻譜：*（ASTM E927）

波長(cháng)范圍：700nm至1100nm

強度：相當于700 nm至1100 nm范圍內的1個(gè)太陽(yáng)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(yáng)到1.0太陽(yáng)

時(shí)間不穩定性：*（ASTM E927）

啟動(dòng)：≤15秒

復雜的技術(shù)要求

●需要使用太陽(yáng)模擬器將太陽(yáng)光譜與700 nm至1100 nm的近紅外區域中的A類(lèi)光譜匹配進(jìn)行匹配。

●需要光學(xué)系統在相對較大的3維體積（1.5×1.5 x 0.5 m3）上產(chǎn)生均勻的光場(chǎng)。

●實(shí)驗室空間的限制是對系統設計的額外限制。

●客戶(hù)要求光線(xiàn)從偏軸角度照亮垂直目標平面。這是由于其內部設置需要在目標平面正前方的自由空間。使光線(xiàn)傾斜是直觀(guān)的解決方案。

●需要科學(xué)技術(shù)的工程團隊進(jìn)行廣泛的研究和開(kāi)發(fā)，以從請求的離軸角度照亮目標平面，同時(shí)仍保持三維體積均勻性。

●必須配置和確定實(shí)現所需光譜形狀的適當光源，光學(xué)設置和濾波方案。

●考慮到要放置的房間的限制，還需要太陽(yáng)能模擬器系統來(lái)維持整體溫度。

●另外，客戶(hù)要求限制聲級，這需要進(jìn)行額外的測試和重新設計工作，其中涉及太陽(yáng)模擬器系統的內部工作。

●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(jìn)一步的重新設計和研究以實(shí)現光源的衰減同時(shí)保持均勻性。

構思和設計系統

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

標準的太陽(yáng)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(shí)，目標平面的所有邊緣都具有對稱(chēng)性。當可以使用這種對稱(chēng)性時(shí)，更容易實(shí)現空間均勻性。根據客戶(hù)要求，需要將太陽(yáng)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(guò)研究和開(kāi)發(fā)新的光學(xué)均質(zhì)系統來(lái)實(shí)現空間均勻性。

預計將要制造的投影儀單元的模擬模型

光線(xiàn)追蹤模型

i）光學(xué)建模

科學(xué)技術(shù)工程團隊使用了廣泛的光學(xué)建模來(lái)模擬單個(gè)投影儀和均質(zhì)化系統，該系統可以在所需體積上實(shí)現空間均勻的光線(xiàn)。后來(lái)，排列了一個(gè)包含多個(gè)投影儀系統的太陽(yáng)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)現均勻的光量。

當組合了不同的光學(xué)材料和光源時(shí)，制作了一個(gè)特殊的軟件來(lái)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(shí)，對項目的預算給予了特別關(guān)注?？紤]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(gè)投影機進(jìn)行測試以評估均勻性和穩定性。

為了進(jìn)一步測試，開(kāi)發(fā)了用于測量三維空間均勻性的模擬光柵。

ii）測試系統的耐用性

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，用于系統冷卻目的的風(fēng)扇的類(lèi)型和位置。

iii）輻射衰減

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

原型設計實(shí)施

八個(gè)投影儀單元用于所需目標區域的設計和照明。每個(gè)光學(xué)投影儀單元都由一個(gè)2 kW QTH燈組成，該燈帶有一個(gè)固定在橢圓形反射鏡中的石英外殼。每個(gè)單元還包含一個(gè)均質(zhì)組件，以實(shí)現所需的均勻性要求。在精心設計和微調系統后，成功實(shí)現了空間均勻性規范。

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

在整個(gè)三維體積上，光功率足以在700-1100nm區域中達到所需的功率水平。當測量700nm-1100nm光譜輸出時(shí)，系統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(cháng)的ASTM AM1.5G曲線(xiàn)匹配。工作距離也被設置為可調的，以適應兩種不同的焦距。

設計并生產(chǎn)了一種廉價(jià)的光學(xué)系統，以實(shí)現預期的空間均勻性，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。該系統能夠以10％的增量衰減輸出輻照度，同時(shí)保持輸出光的空間均勻性。

測試與安裝

該系統已成功完成，并且由科學(xué)技術(shù)工程師在客戶(hù)實(shí)驗室所在地進(jìn)行了安裝和培訓。

終的太陽(yáng)模擬器系統可照亮1.5m x 1.5m的目標區域