CN101713494B - 人工光源产生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工光源产生器，其包括至少一发光组和一投射平面。所述发光组包括光源、抛物面镜、支撑座、第一透镜阵列和第二透镜阵列。所述光源位于所述抛物面镜的焦点，使得所述光源产生的光线通过所述抛物面镜沿平行方向射出。所述支撑座用以支撑所述光源。所述第一透镜阵列具有多个第一透镜单元，每一第一透镜单元具有第一焦距。所述第二透镜阵列具有多个第二透镜单元，所述第二透镜阵列与所述第一透镜阵列的距离是所述第一焦距的0.5倍到1.5倍。所述投射平面与所述发光组间隔一适当距离，使得穿过每一第二透镜单元的光线均涵盖整个投射平面。借此，所述投射平面具有优良的光照均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工光源产生器，明确地说涉及一种可模拟大面积的自然光的人工光源产生器。
背景技术
随着环保与节能的议题日渐受到重视，太阳能电池模块逐渐蓬勃发展。然而当太阳能电池模块制造完成后所面临的一个重大问题就是测试。由于自然光(太阳光)在一天之中会有强有弱，其并不稳定而且无法经由人为方式控制，所以通常不会把制造完成后的太阳能电池模块搬到室外作测试，一般常规的测试方式是在室内使用人工的光源来模拟日照以取得太阳能电池模块相关的产品特性。
常规的测试方式例如以下两种方式。第一种方式是使用闪光灯式的氙灯(FlashXenon Lamp)，每次闪光的时间约数十毫秒，此闪光的面积可达1*1米以上，利用灯具和灯泡的造型设计来达到均匀性的要求。此种测试方式的缺点是每次闪光的时间太短，不易测量到正确或足够的电压电流数据，而且此方式无法作光浸测试(Light Soaking)或热斑测试(Hot Spot)等需要长时间光照射的测试。
参看图1，显示第二种常规测试方式中投射平面的示意图。所述第二种方式是使用多组(例如六组)连续的灯源照射以在投射平面10形成六个光照区域11，所述灯源可以是钨丝灯、金属复合灯或是氙灯等稳定发光的光源，且经过滤镜过滤而达到所需的光谱。所述灯源彼此相邻以特定的方式摆放，使得所述投射平面10的光照均匀性达到要求，必要时还必须在所述灯源与所述投射平面10之间使用某种遮光的材料(例如铁丝网)，来减弱某区域的光以达到整个投射平面10所需的光照均匀性。
此种测试方式的缺点是，在使用时必须调整各灯源间的位置与强度，以及铁丝网的密度来达到均匀性，其不仅非常困难且耗工，通常调整一次大约需要十天。而且一旦某一灯源的衰减程度与其它的灯源有差异时，必须再次进行调整，举例来说，如果产生左上角光照区域11的灯源衰减得特别快，那么所述光照区域11会比其它光照区域暗，因而需要进行调整。此外，如果个别组件移动位置而造成整体均匀性丧失时，也必须再次调整。
因此，有必要提供一种创新且具进步性的人工光源产生器，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种人工光源产生器，其包括至少一发光组和一投射平面。所述发光组包括光源、抛物面镜、支撑座、第一透镜阵列和第二透镜阵列。所述光源用以产生光线。所述抛物面镜具有焦点，所述光源位于所述焦点处，使得所述光源产生的光线通过所述抛物面镜沿平行方向射出。所述支撑座用以支撑所述光源。所述第一透镜阵列具有多个第一透镜单元，每一第一透镜单元具有第一焦距。所述第二透镜阵列具有多个第二透镜单元，所述第二透镜阵列平行于所述第一透镜阵列，所述第二透镜阵列与所述第一透镜阵列的距离是所述第一焦距的0.5倍到1.5倍。所述投射平面用以放置待测试模块，所述投射平面与所述发光组间隔一适当距离，使得所述光线穿过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列而投射于所述投射平面上，其中穿过每一第二透镜单元的光线均涵盖整个投射平面。
本发明的优点如下，单一发光组投射于所述投射平面上即有优于5％以上的非均匀性表现，而当多个发光组投射于所述投射平面后整体的光照均匀性更好，且不会因为其中一个发光组输出衰减而使均匀性不佳。此外，使用多个发光组重叠照射时，各发光组可使用不同的光源或滤镜产生不同波长的光线，而在投射平面合成组合的光谱；如果需要不同光照时，还可遮蔽或关闭部分发光组来实现，而不会影响所述投射平面上的均匀性。
附图说明
图1显示第二种常规测试方式中投射平面的示意图；
图2显示本发明的第一实施例的人工光源产生器的示意图；
图3显示本发明的第一实施例的人工光源产生器的发光组的示意图；
图4显示本发明的人工光源产生器中第二透镜阵列的光路径示意图；
图5显示本发明的第一实施例的人工光源产生器的另一实施方面的示意图，其中所述滤镜与所述第二透镜阵列间具有一夹角；
图6显示本发明的第一实施例中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元的外形，其中所述外形是矩形；
图7显示本发明的第一实施例中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元的外形，其中所述外形是六边形；
图8显示本发明的第一实施例中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元的外形，其中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元区分为四个透镜聚集部分；
图9显示本发明的第二实施例的人工光源产生器的示意图；
图10显示本发明的第二实施例的人工光源产生器的第一发光组的示意图；以及
图11显示本发明的第二实施例的人工光源产生器的第二发光组的示意图。
具体实施方式
请参看图2和图3，显示本发明的第一实施例的人工光源产生器及其发光组的示意图。本发明的人工光源产生器2可以在室内使用来模拟日照以测试太阳能电池模块而取得其相关的产品特性，然而，可以理解的是，本发明的人工光源产生器2也可以应用于其它需要均匀光线的场所。所述人工光源产生器2包括至少一发光组3和一投射平面21。参看图3，所述发光组3包括光源31、抛物面镜32、支撑座33、第一透镜阵列34、第二透镜阵列35和滤镜36。
所述光源31用以产生光线。在本实施例中，所述光源31是氙灯，其包括两个端电极311。所述端电极311连接到一电源，以供给所述光源31点亮时所需的电压和电流。
所述抛物面镜32具有一焦点，所述光源31位于所述焦点处，使得所述光源产生的光线通过所述抛物面镜32沿平行方向射出。优选地，所述抛物面镜32附着于一灯罩上。
所述支撑座33用以支撑所述光源31。在本实施例中，所述抛物面镜32进一步包括开口321，所述光源31的一端穿过所述开口321而固设于所述支撑座33。
所述第一透镜阵列34具有多个第一透镜单元341，每一第一透镜单元341具有第一焦距。所述第一透镜单元341可以是分离且各自独立，或为一体成型。所述第二透镜阵列35具有多个第二透镜单元351，每一第二透镜单元351具有第二焦距。所述第二透镜单元351可以是分离且各自独立，或为一体成型。要注意的是，本发明中透镜阵列的数目并不限于两个，其可以是三个或三个以上。
优选地，所述第二焦距与所述第一焦距相同，所述第二透镜单元351的外形与所述第一透镜单元341的外形相同，且所述第二透镜单元351的位置对应于所述第一透镜单元341的位置。
所述第二透镜阵列35平行于所述第一透镜阵列34，所述第二透镜阵列35与所述第一透镜阵列34的距离d是所述第一焦距的0.5倍到1.5倍。优选地，所述第二透镜阵列35与所述第一透镜阵列34的距离d等于所述第一焦距。
所述投射平面21用以放置待测试模块(例如太阳能电池模块)(未图示)，所述投射平面21与所述发光组3间隔一适当距离，使得所述光线穿过所述第一透镜阵列34和所述第二透镜阵列35而投射于所述投射平面21上，其中穿过每一第二透镜单元351的光线均涵盖整个投射平面21。
参看图4，显示本发明的人工光源产生器中第二透镜阵列的光路径示意图。以下是以所述第二透镜阵列35中最上方的第二透镜单元351和最下方的第二透镜单元352进行说明。当光线通过最下方的第二透镜单元352时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第一光路径41和第二光路径42所示，其中所述第一光路径41代表光线通过焦点后的下缘，所述第二光路径42代表光线通过焦点后的上缘。所述焦点与所述第二透镜单元352的距离即为所述第二焦距f，且所述第二透镜单元352具有一宽度W。
同样，当光线通过最上方的第二透镜单元351时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第三光路径43和第四光路径44所示，其中所述第三光路径43代表光线通过焦点后的上缘，所述第四光路径44代表光线通过焦点后的下缘。最上方的第二透镜单元351的焦点和最下方的第二透镜单元352的焦点之间间隔一距离L，所述距离L略小于所述第二透镜阵列35的宽度。在一优选实施例中，所述距离L介于150毫米(mm)到500毫米(mm)，而且所述第一透镜阵列34中最上方的第一透镜单元的焦点和最下方的第一透镜单元的焦点之间的距离也介于150毫米(mm)到500毫米(mm)。
请再参看图2，所述投射平面21与所述发光组3间隔一距离f＇，且光线通过最下方的第二透镜单元352而投射在所述投射平面21所在的平面上的区域具有一宽度W＇，其中W:f＝W＇:f＇。在一优选实施例中，所述距离f＇介于5到20米(m)。所述投射平面21是所述第二光路径42以下且所述第四光路径44以上的区域，其宽度是W＇-L，即通过每一第二透镜单元351的光线均会涵盖整个投射平面21。如此，所述投射平面21会有良好的光照均匀性，而且所述投射平面21的形状与所述第二透镜单元351的形状相同。在通常情况下，所述投射平面21与所述第二透镜阵列35的距离是所述第一焦距的50倍到300倍，优选为100倍到150倍。由图2中可看出，如果将所述投射平面21移向所述发光组3，那么其面积变小但是光线的单位能量变大；如果将所述投射平面21移离所述发光组3，那么其面积变大但是光线的单位能量变小。
请再参看图3，优选地，所述发光组3进一步包括滤镜36，其位于所述第二透镜阵列35与所述投射平面21之间，且所述滤镜36与所述第二透镜阵列35平行，用以过滤通过所述第二透镜阵列35的光线，可以选择性地让所要的特定波长范围的光线穿透。在其它应用中，所述滤镜36与所述第二透镜阵列35间具有一夹角，如图5所示，用以反射通过所述第二透镜阵列35的光线。
在另一优选实施例中，所述滤镜36是一镀膜，其镀覆于所述抛物面镜32、所述第一透镜阵列34和所述第二透镜阵列35三者中的一者或者三者全部。
参看图6到图8，显示本发明中所述透镜单元的外形示意图。在本发明中，所述第一透镜单元341可以是单凸或双凸透镜，所述第二透镜单元351可以是单凸或双凸透镜。优选地，所述第一透镜单元341和所述第二透镜单元351是球面透镜。以前视来看，所述第一透镜单元341和所述第二透镜单元351的外形是矩形(如图6所示)或六边形(如图7所示)。或者，所述第一透镜单元341和所述第二透镜单元351也可以区分为多个透镜聚集部分(例如四个透镜聚集部分，如图8所示)，且所述透镜聚集部分之间利用遮光材料做区隔。
请参看图9到图11，显示本发明的第二实施例的人工光源产生器及其第一发光组和第二发光组的示意图。所述人工光源产生器5包括第一发光组6、第二发光组7和投射平面51。在本实施例中，所述第一发光组6和所述第二发光组7均与所述第一实施例的发光组3相同，且所述第一发光组6与所述第二发光组7间具有一夹角。可以理解的是，所述第一发光组6也可以与所述第二发光组7不同。要注意的是，所述人工光源产生器5也可以包含三个以上的发光组。
参看图10，所述第一发光组6包括第一光源61、第一抛物面镜62、第一支撑座63、第一透镜阵列64、第二透镜阵列65和第一滤镜66。所述第一光源61用以产生第一光线。在本实施例中，所述第一光源61是氙灯，其包括两个端电极611。所述端电极611连接到一电源，以供给所述第一光源61点亮时所需的电压和电流。
所述第一抛物面镜62具有一焦点，所述第一光源61位于所述焦点，使得其产生的第一光线经由所述第一抛物面镜62平行射出。所述第一支撑座63用以支撑所述第一光源61。在本实施例中，所述第一抛物面镜62进一步包括第一开口621，所述第一光源61的一端穿过所述第一开口621而固设于所述第一支撑座63。
所述第一透镜阵列64具有多个第一透镜单元641，每一第一透镜单元641具有第一焦距。所述第一透镜单元641可以是分离且各自独立，或为一体成型。所述第二透镜阵列65具有多个第二透镜单元651，每一第二透镜单元651具有第二焦距。所述第二透镜单元651可以是分离且各自独立，或为一体成型。
优选地，所述第二焦距与所述第一焦距相同，所述第二透镜单元651的外形与所述第一透镜单元641的外形相同，且所述第二透镜单元651的位置对应于所述第一透镜单元641的位置。所述第二透镜阵列65平行于所述第一透镜阵列64，所述第二透镜阵列65与所述第一透镜阵列64的距离d是所述第一焦距的0.5倍到1.5倍。优选地，所述第二透镜阵列65与所述第一透镜阵列64的距离d等于所述第一焦距。
所述第一滤镜66位于所述第二透镜阵列65与所述投射平面51之间，且所述第一滤镜66与所述第二透镜阵列65平行，用以过滤通过所述第二透镜阵列65的第一光线。在一优选实施例中，所述第一滤镜66是一镀膜，其镀覆于所述第一抛物面镜62、所述第一透镜阵列64和所述第二透镜阵列65三者中的一者或者三者全部。
参看图11，所述第二发光组7包括第二光源71、第二抛物面镜72、第二支撑座73、第三透镜阵列74、第四透镜阵列75和第二滤镜76。所述第二光源71用以产生第二光线。在本实施例中，所述第二光源71是氙灯，其包括两个端电极711。所述端电极711连接到一电源，以供给所述第二光源71点亮时所需的电压和电流。
所述第二抛物面镜72具有一焦点，所述第二光源71位于所述焦点，使得其产生的第二光线经由所述第二抛物面镜72平行射出。所述第二支撑座73用以支撑所述第二光源71。在本实施例中，所述第二抛物面镜72进一步包括第二开口721，所述第二光源71的一端穿过所述第二开口721而固设于所述第二支撑座73。
所述第三透镜阵列74具有多个第三透镜单元741，每一第三透镜单元741具有第三焦距。所述第三透镜单元741可以是分离且各自独立，或为一体成型。所述第四透镜阵列75具有多个第四透镜单元751，每一第四透镜单元751具有第四焦距。所述第四透镜单元751可以是分离且各自独立，或为一体成型。
优选地，所述第四焦距与所述第三焦距相同，所述第四透镜单元751的外形与所述第三透镜单元741的外形相同，且所述第四透镜单元751的位置对应于所述第三透镜单元741的位置。所述第四透镜阵列75平行于所述第三透镜阵列74，所述第四透镜阵列75与所述第三透镜阵列74的距离d是所述第三焦距的0.5倍到1.5倍。优选地，所述第四透镜阵列75与所述第三透镜阵列54的距离d等于所述第三焦距。
所述第二滤镜76位于所述第四透镜阵列75与所述投射平面51之间，且所述第二滤镜76与所述第四透镜阵列75平行，用以过滤通过所述第四透镜阵列75的第二光线。在一优选实施例中，所述第二滤镜76是一镀膜，其镀覆于所述第二抛物面镜72、所述第三透镜阵列74和所述第四透镜阵列75三者中的一者或者三者全部。
请再参看图9，所述投射平面51用以放置待测试模块(例如太阳能电池模块)(未图示)，所述投射平面51与所述第一发光组6和第二发光组7间隔一适当距离，使得所述第一光线通过所述第一透镜阵列64和所述第二透镜阵列65(图10)而投射于所述投射平面51上，所述第二光线通过所述第三透镜阵列74和所述第四透镜阵列75(图11)而投射于所述投射平面51上，其中穿过每一第二透镜单元651的第一光线会涵盖整个投射平面51，且穿过每一第四透镜单元751的第二光线也会涵盖整个投射平面51。
本实施例的光路径说明如下。当所述第一光线通过所述第二透镜阵列65最下方的第二透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第一光路径81和第二光路径82所示，其中所述第一光路径81代表所述第一光线通过焦点后的下缘，所述第二光路径82代表所述第一光线通过焦点后的上缘。当所述第一光线通过所述第二透镜阵列65最上方的第二透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第三光路径83和第四光路径84所示，其中所述第三光路径83代表所述第一光线通过焦点后的上缘，所述第四光路径84代表所述第一光线通过焦点后的下缘。
同样，当所述第二光线通过所述第四透镜阵列75最下方的第四透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第五光路径85和第六光路径86所示，其中所述第五光路径85代表所述第二光线通过焦点后的下缘，所述第六光路径86代表所述第二光线通过焦点后的上缘。当所述第二光线通过所述第四透镜阵列75最上方的第四透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，如第七光路径87和第八光路径88所示，其中所述第七光路径87代表所述第二光线通过焦点后的上缘，所述第八光路径88代表所述第二光线通过焦点后的下缘。
所述第二光路径82和所述第六光路径86相交于第一交点91，所述第四光路径84和所述第八光路径88相交于第二交点92，所述投射平面51即位于所述第一交点91与所述第二交点92之间。因此，通过每一第二透镜单元651和每一第四透镜单元751的光线均会涵盖整个投射平面51。如此，所述投射平面51会有良好的光照均匀性。在通常情况下，所述投射平面51与所述第二透镜阵列65的距离是所述第一焦距的50倍到300倍，优选为100倍到150倍。
在本实施例中，所述第一透镜单元641、所述第二透镜单元651、所述第三透镜单元741和所述第四透镜单元751可以是单凸或双凸透镜。优选地，其是球面透镜。以前视来看，所述第一透镜单元641、所述第二透镜单元651、所述第三透镜单元741和所述第四透镜单元751的外形是矩形或六边形。或者，所述第一透镜单元641、所述第二透镜单元651、所述第三透镜单元741和所述第四透镜单元751也可以区分为多个透镜聚集部分，且所述透镜聚集部分之间利用遮光材料做区隔。
本发明的优点如下，单一发光组3投射于所述投射平面21(如图2的所述第一实施例的人工光源产生器2)上即有优于5％以上的非均匀性(Non-uniformity)表现，而当多个发光组6，7投射于所述投射平面51后(如图9的所述第二实施例的人工光源产生器5)整体的光照均匀性更好，且不会因为其中一个发光组输出衰减而使均匀性不佳。此外，使用多个发光组重叠照射时，各发光组可使用不同的光源或滤镜产生不同波长的光线，而在投射平面合成组合的光谱；如果需要不同光照时，还可遮蔽或关闭部分发光组来实现，而不会影响所述投射平面上的均匀性。
然而，上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而并不用以限制本发明。因此，所属领域的技术人员对上述实施例进行修改和变化仍不脱离本发明的精神。本发明的权利范围应如所附权利要求书所列。
Claims (18)
1.一种人工光源产生器，其包括：
至少一发光组，所述发光组包括：
光源，其用以产生光线；
抛物面镜，其具有焦点，所述光源位于所述焦点处，使得其产生的光线通过所述抛物面镜沿平行方向射出；
支撑座，其用以支撑所述光源；
第一透镜阵列，其具有多个第一透镜单元，每一第一透镜单元具有第一焦距；以及
第二透镜阵列，其具有多个第二透镜单元，每一第二透镜单元具有第二焦距，所述第二焦距与所述第一焦距相同，所述第二透镜单元的外形与所述第一透镜单元的外形相同，且所述第二透镜单元的位置对应于所述第一透镜单元的位置，所述第二透镜阵列平行于所述第一透镜阵列，所述第二透镜阵列与所述第一透镜阵列的距离是所述第一焦距的0.5倍到1.5倍，其中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元区分为多个透镜聚集部分，且所述透镜聚集部分之间利用遮光材料做区隔；以及
投射平面，其用以放置待测试模块，所述投射平面与所述发光组间隔一适当距离，使得所述光线通过所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列而投射于所述投射平面上，其中穿过每一第二透镜单元的光线均涵盖整个投射平面。
2.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述光源是氙灯。
3.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述光源进一步包括两个端电极。
4.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述抛物面镜进一步包括一开口，所述光源的一端穿过所述开口而固设于所述支撑座。
5.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第一透镜单元是分离且各自独立。
6.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第一透镜单元是一体成型。
7.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第二透镜单元是分离且各自独立。
8.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第二透镜单元是一体成型。
9.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述发光组进一步包括滤镜。
10.根据权利要求9所述的人工光源产生器，其中所述滤镜与所述第二透镜阵列平行，用以过滤通过所述第二透镜阵列的光线。
11.根据权利要求9所述的人工光源产生器，其中所述滤镜是一镀膜，其镀覆于所述抛物面镜、所述第一透镜阵列和所述第二透镜阵列三者中的一者或者三者全部。
12.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第二透镜阵列与所述第一透镜阵列的距离等于所述第一焦距。
13.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述投射平面与所述第二透镜阵列的距离是所述第一焦距的50倍到300倍。
14.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元是球面透镜。
15.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第一透镜单元是单凸或双凸透镜。
16.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第二透镜单元是单凸或双凸透镜。
17.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述第一透镜单元和所述第二透镜单元的外形是矩形或六边形。
18.根据权利要求1所述的人工光源产生器，其中所述光线通过所述第二透镜阵列最下方的第二透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，其下缘定义为第一光路径，其上缘定义为第二光路径，所述光线通过所述第二透镜阵列最上方的第二透镜单元时，会先聚集于其焦点，之后再发散出去，其上缘定义为第三光路径，其下缘定义为第四光路径，所述投射平面是所述第二光路径以下且所述第四光路径以上的区域。
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