定制大面积红外太阳模拟器

定制大面积红外太阳模拟器

该太阳模拟器可提供具有高空间均匀性和景深的红外波长照明

Custom Large Area IR solar simulator

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

客户需求

Sciencetech为认可的消费电子制造商量身定制了该太阳模拟器。该太阳模拟器将在其研发中心用于测试电子硬件和半导体。

该系统发射的红外波长在700-1100nm范围内，并在1个太阳强度下照射1.0 x 1.0 m2和1.5 x 1.5 m2的目标区域。下表总结了客户的要求：

目标区域：照明1.5 x 1.5m2 

频谱：*（ASTM E927）

波长范围：700nm至1100nm

强度：相当于700 nm至1100 nm范围内的1个太阳辐照度

均匀度：1 x 1 m2：±10％（ASTM E927）

1.5 x 1.5m2：±30％（ASTM E927）

景深：±15cm，变化≤±5％（ASTM E927）

衰减：10级，从0.1太阳到1.0太阳

时间不稳定性：*（ASTM E927）

启动：≤15秒

复杂的技术要求

▪ 需要使用太阳模拟器将太阳光谱与700 nm至1100 nm的近红外区域中的A类光谱匹配进行匹配。

▪ 需要光学系统在相对较大的3维体积（1.5×1.5 x 0.5 m3）上产生均匀的光场。

▪ 实验室空间的限制是对系统设计的额外限制。

▪ 客户要求光线从偏轴角度照亮垂直目标平面。这是由于其内部设置需要在目标平面正前方的自由空间。使光线倾斜是直观的解决方案。

▪ 需要科学技术的工程团队进行广泛的研究和开发，以从请求的离轴角度照亮目标平面，同时仍保持三维体积均匀性。

▪ 必须配置和确定实现所需光谱形状的适当光源，光学设置和滤波方案。

▪ 考虑到要放置的房间的限制，还需要太阳能模拟器系统来维持整体温度。

▪ 另外，客户要求限制声级，这需要进行额外的测试和重新设计工作，其中涉及太阳模拟器系统的内部工作。

▪ 必需的输出辐照度必须逐步降低至大功率输出的10％。需要进一步的重新设计和研究以实现光源的衰减同时保持均匀性。

构思和设计系统

当光源的光轴垂直于目标平面时，目标平面的所有边缘都具有对称性。此属性用于所有标准太阳模拟器的设计中，以生成空间均匀的光场。

标准的太阳模拟器产生垂直于光源光轴的空间均匀的目标平面。当光源的光轴垂直于目标平面时，目标平面的所有边缘都具有对称性。当可以使用这种对称性时，更容易实现空间均匀性。根据客户要求，需要将太阳模拟器放置在与目标平面光轴大约30°的位置。因此，需要通过研究和开发新的光学均质系统来实现空间均匀性。

预计将要制造的投影仪单元的模拟模型

光线追踪模型

i）光学建模

科学技术工程团队使用了广泛的光学建模来模拟单个投影仪和均质化系统，该系统可以在所需体积上实现空间均匀的光线。后来，排列了一个包含多个投影仪系统的太阳模拟器，并使用光学建模软件优化了投影仪的位置，以实现均匀的光量。

当组合了不同的光学材料和光源时，制作了一个特殊的软件来模拟终的光谱轮廓。选择并评估了许多滤光片和光源，以确定是否可以找到光源，光学器件（如透镜和反射镜）以及滤光片的理想组合。选择理想的光学组合时，对项目的预算给予了特别关注。考虑到石英钨卤素灯（QTH）的平滑IR发射，它被确定为模拟光的优质光源。

对单个投影机进行测试以评估均匀性和稳定性

为了进一步测试，开发了用于测量三维空间均匀性的模拟光栅。

ii）测试系统的耐用性

进行了耐温测试，以确定所选的光学材料和滤光片是否可以在灯的高光功率输出下幸免。还进行了测试，以确定所需的空气流量，用于系统冷却目的的风扇的类型和位置。

iii）辐射衰减

进行光学建模以确定衰减器的合适尺寸和位置，使其能够满足项目的衰减要求。

原型设计实施

八个投影仪单元用于所需目标区域的设计和照明。每个光学投影仪单元都由一个2 kW QTH灯组成，该灯带有一个固定在椭圆形反射镜中的石英外壳。每个单元还包含一个均质组件，以实现所需的均匀性要求。在精心设计和微调系统后，成功实现了空间均匀性规范。

此外，QTH灯系统还集成了物镜和投影透镜，以及用于消除不想要的波长范围的长通滤光镜。

在整个三维体积上，光功率足以在700-1100nm区域中达到所需的功率水平。当测量700nm-1100nm光谱输出时，系统在目标平面上提供了所需的辐照度（ASTM E927）。光谱输出的形状与700-1100nm波长的ASTM AM1.5G曲线匹配。工作距离也被设置为可调的，以适应两种不同的焦距。

设计并生产了一种廉价的光学系统，以实现预期的空间均匀性，光谱和光功率。使用风扇将光学元件和滤光片充分冷却。该系统能够以10％的增量衰减输出辐照度，同时保持输出光的空间均匀性。

测试与安装

该系统已成功完成，并且由科学技术工程师在客户实验室所在地进行了安装和培训。