CN102421220B - 一种超大辐照面积的太阳光模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大辐照面积的太阳光模拟器，该太阳光模拟器由箱体式光源系统、大面积光学均匀化处理系统、智能控制系统、输出光信号测量系统组成。本发明的特征是：箱体式光源系统中的面阵复合光源的面积可根据实际需要而定，输出光辐照面积可达到500mm*1000mm以上；大面积均匀化光学处理系统保证超大面积面阵光源输出光在辐照范围内的均匀性；智能控制系统将输出光经信号测量系统在线实时检测，提供光电反馈信号，经智能控制系统的中央处理器计算后提供相应的光电反馈至光源的直流控制电路，使各个通道的LED发光强度相应地发生变化，最终形成稳定的最优混色方案，使最终输出光达到和地面太阳光谱的最佳匹配。

Description

一种超大辐照面积的太阳光模拟器
技术领域
本发明涉及太阳光模拟器，具体是指一种基于LED的超大辐照面积的太阳光模拟器。 
背景技术
太阳光模拟器是模拟太阳光辐射的光学仪器。现有的太阳光模拟器一般有两类，一是应用氙灯等光源，同时选配合适的滤光片，实现模拟器输出光与太阳辐射光谱的匹配。另一种为使用不同颜色的LED组合光源，借助滤光装置，通过分光聚光等光学变换来模拟太阳光谱。这两种模拟器都受到光学系统的限制，难以实现大辐照面积、高辐射强度的连续光输出。 
发明内容
基于上述已有的太阳光模拟器存在的各种问题，本发明的目的是要提供一种基于LED的、具有超大辐照面积、高辐射强度、能通过自动反馈控制系统来获得最优化太阳光谱匹配结果的太阳光模拟器。 
本发明的太阳光模拟器由箱体式光源系统、大面积光学均匀化处理系统、智能控制系统、输出光信号实时测量系统组成。 
箱体式光源系统包括：置于灯箱内底部的回路热管散热器，回路热管散热器与智能控制系统相连接，受智能控制系统的调度。回路热管散热器上有与其低热阻连接的上面安装有面阵复合光源的金属基板；面阵复合光源四周围合有一倒八字形的镜面不锈钢反射镜，由此在面阵复合光源上方构成一围合区，使 各波段的发光源在围合区内得到充分的重叠混色。 
面阵复合光源由主体光源和配置光源组成。主体光源由白光LED和红绿两色LED组成。配置光源由紫外LED、红外卤钨灯组成。在整个面阵复合光源中四种发光管数量各占25％，呈规则间隔排列。通过均匀分布的不同光谱的LED，面阵复合光源的面积可根据实际需要而扩展。 
灯箱壁内分别安装有与光纤光谱仪连接的光纤头部和光辐射测量仪连接的光传感器。 
大面积光学均匀化处理系统包括：光扩散板和菲涅尔透镜板构成的光源输出光学系统，光扩散板距离面阵复合光源的高度为镜面不锈钢反射镜的高度，菲涅尔透镜距离光扩散板为菲涅尔透镜的焦距F。 
智能控制系统由稳定电源整流器、直流控制电源、中央处理器(CPU)和输入(键盘)/输出(显示屏)设备组成。稳定电源整流器将交流市电转换成稳流/稳压的直流电源输入直流控制电源。直流控制电源有多路独立可控大电流输出，分别给面阵复合光源中的白光LED、R/G LED、紫外LED和红外卤钨灯供电。 
中央处理器(CPU)通过工业总线与输出光信号实时测量系统连接，获取实时测量数值经算法运算后，提供电路信号给稳定电源整流器、直流控制电源来调节各色光源的增益，它同时还通过总线与显示屏联接，输出模拟光源各项参数，达到的国际质量标准等级，以及装置所处的环境温度湿度等。 
输出光信号实时测量系统由光纤光谱仪和光辐射测量仪组成，通过工业总线与智能控制系统连接，用于箱体式光源输出光的在线实时检测。 
本发明的LED太阳光模拟器具有大辐照面积和连续光输出特点。输出光稳定性高、均匀性高，与太阳光具有理想得光谱匹配。并且制造工艺简单，便于流水作业，生产效率高，降低生产成本低，具有推广应用前景。
附图说明
图1为本发明的太阳光模拟器的结构示意图。 
图2为本实施例的面阵复合光源中四种发光管的均匀分布图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明： 
本发明的太阳光模拟器由箱体式光源系统1、大面积光学均匀化处理系统2、智能控制系统3、输出光信号实时测量系统4组成。 
箱体式光源系统1包括：置于灯箱106内底部的回路热管散热器101，回路热管散热器上有与其低热阻连接的上面安装有面阵复合光源102的金属基板103，回路热管散热器101的电路部分与智能控制系统3形成电路连接。面阵复合光源四周围合有一倒八字形的镜面不锈钢反射镜104，由此在面阵复合光源上方构成一围合区105，使各波段的发光源在围合区内得到充分的重叠混色；用金属制造的反射镜，固定于面阵复合光源的四周，有助于光源的散热作用。在光扩散板201上方，灯箱壁内分别安装有与光纤光谱仪401连接的光纤头部4011和光辐射测量仪402连接的光传感器4021。 
本发明应用的回路热管散热器是最新发展的相变冷却技术制造的冷却器，它特别适用于大功率LED高热流密度的冷却散热作用。回路热管散热器受智能控制系统的中央处理器(CPU)303控制调节。 
面阵复合光源由主体光源和配置光源组成。主体光源由白光LED和R/G LED组成。配置光源由紫外LED、红外卤钨灯组成。配置光源使面阵复合光源光谱分别向紫外和红外方向延伸，实现宽波段太阳光谱匹配。其中R/G LED发光主波 长：R为620-630nm，G为510-540nm；R/G芯片可分别控制，它们与主体光源中白光LED在可见光波段混色后，产生与太阳光谱相匹配的可见光波段白光辐射。 
面阵复合光源的面积可根据实际需要而定。本发明的输出光辐照面积可达到500mm*1000mm以上。为获得模拟太阳光输出的均匀性，在整个面阵复合光源中四种发光管数量各占25％，并且均匀分布。本实施例提供一种四种发光管较佳空间分布规律，即在X轴和Y轴上，四种发光管以相同的周期交替排列构成面阵。最后得到的是任意依次取其连续排列的十二个光源所占的区域，它们都形成对称关系。见图2，图中的四种图案分别代表四种发光管。 
大面积光学均匀化处理系统2由依次排列的光扩散板201和菲涅尔透镜板202构成。该光学均匀化处理系统兼备光扩散和光学聚焦作用，以获得高均匀性的大面积光输出。整个处理系统2固定在灯箱上方。为使LED面阵复合光源平面上的所有光源器件的光辐射，包括排列于面阵边缘LED器件的光辐射，能得到总体混色作用，光扩散板距离LED面阵复合光源平面的高度H，至少应有H大于1/2L，L为LED面阵复合光源的长度尺寸。H也就是为镜面不锈钢反射镜104的高度。菲涅尔透镜距离光扩散板为菲涅尔透镜的焦距F。整个光学处理系统保证超大面积面阵光源输出光在辐照范围内的均匀性。 
智能控制系统3由稳定电源整流器301、直流控制电源302、中央处理器303、输入(键盘)/输出(显示屏)设备(图中未画)和存储系统(图中未画)组成。稳定电源整流器将交流市电转换成稳流/稳压的直流电源输入直流控制电源。直流控制电源有多路独立可控大电流输出，分别给面阵复合光源各种LED和红外卤钨灯供电。模拟器的输出光经信号测量系统4在线实时检测，所提供光电反馈信号，经智能控制系统的中央处理器计算后提供相应的光电反馈至光源的直流控制电路，使各个通道的LED发光强度相应地发生变化，最终形成稳定的最优混色方案，使最终输出光达到和地面太阳光谱的最佳匹配。 
输入设备(键盘)提供给用户，用以设定所需要的太阳模拟强度等级，模拟地区选择，连续工作的时间等等各项参数。 
输出设备(显示屏)用以显示当前模拟器的各项参数，当前的输出光的均匀化指标和光谱匹配指标，以及对应的国际标准质量等级。 
存储设备保存有归一化的各种标准太阳光谱数据和相应的太阳光强度数据。 
系统上电工作时，由光纤光谱仪和光辐射强度测试仪在线实时获取数据提供给智能控制系统，系统软件根据存储的数据和实时数据进行实时、快速地比较运算，根据运算结果控制系统分别控制面阵复合光源中的各种光源驱动电源。由此模拟器的输出光，经过反复数次反馈，逐次逼近所模拟的光谱数据，逐次逼近所模拟的太阳光谱，而获得模拟器光输出；同时由光辐射测量仪检测光辐射强度数据，调整用户所需模拟光谱辐射强度的光输出。控制系统同时将系统当前的光谱分布，色温参数，显色指数，辐照强度，均匀性指标，光谱匹配指标等系列质量参数输出到显示屏。 
输出光信号测试系统4由光纤光谱仪401和光辐射测量仪402组成，用于模拟器的输出光参数的在线实时检测。光纤光谱仪和光辐射测量仪通过工业总线与智能控制系统3连接。 

Claims (5)

1.一种超大辐照面积的太阳光模拟器，由箱体式光源系统(1)、大面积均匀化光学处理系统(2)，智能控制系统(3)和输出光信号实时测量系统(4)组成；其特征在于：
所说的箱体式光源系统(1)包括：置于灯箱(106)内底部的回路热管散热器(101)，回路热管散热器上有与其低热阻连接的上面安装有面阵复合光源(102)的金属基板(103)；面阵复合光源四周围合有一倒八字形的镜面不锈钢反射镜(104)，由此在面阵复合光源上方构成一围合区(105)，使各波段的发光源在围合区内得到充分的重叠混色；
所说的大面积均匀化光学处理系统(2)由依次排列的光扩散板(201)和菲涅尔透镜板(202)构成；
所说的智能控制系统(3)由稳定电源整流器(301)、直流控制电源(302)、中央处理器(303)、输入输出设备组成；
稳定电源整流器将交流市电转换成稳流/稳压的直流电源输入直流控制电源；直流控制电源有多路独立可控大电流输出，分别给面阵复合光源(102)中的白光LED、R/G LED、紫外LED和红外卤钨灯供电；中央处理器与稳定电源整流器、直流控制电源构成电路连接；
所说的输出光信号实时测量系统(4)由光纤光谱仪(401)和光辐射测量仪(402)组成，与光纤光谱仪(401)连接的光纤头部(4011)和光辐射测量仪(402)连接的光传感器(4021)安装在灯箱壁内上方，用于箱体式光源系统(1)输出光的在线实时检测，光纤光谱仪(401)和光辐射测量仪(402)通过工业总线与智能控制系统(3)连接。
2.根据权利要求1的一种超大辐照面积的太阳光模拟器，其特征在于：所说的面阵复合光源由主体光源和配置光源组成；主体光源由白光LED和R/G LED组成；配置光源由紫外LED、红外卤钨灯组成。
3.根据权利要求2的一种超大辐照面积的太阳光模拟器，其特征在于：所说的面阵复合光源通过均匀分布的不同光谱的LED其面积可根据实际需要而扩展。
4.根据权利要求1的一种超大辐照面积的太阳光模拟器，其特征在于：所说的光扩散板(201)距离面阵复合光源的高度H至少大于1/2L，L为LED面阵复合光源的长度尺寸。
5.根据权利要求1的一种超大辐照面积的太阳光模拟器，其特征在于：所说的菲涅尔透镜板(202)距离光扩散板为菲涅尔透镜的焦距F。
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