CN106369486B - 合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，涉及专用于光谱学的光源装置，是用高斯光谱代替LED发光单元的光谱，是用六种光源产生六种高斯光谱，经过反射镜反射合成得到全波段匹配太阳模拟器光谱，该全波段匹配太阳模拟器光谱在AM1.5G标准中的每一个波段光谱辐照度百分比与AM1.5G标准全波段完全匹配，即该合成光谱与AM1.5G标准中每一个波段光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比完全相同，该方法克服了现有技术所采用的合成光谱与AM1.5G标准中光谱失配度偏差的缺陷。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及专用于光谱学的光源装置，具体地说是合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法。
背景技术
太阳模拟器是采用现有人们制备的可控光源，例如汞灯、氙灯、卤素灯以及发光二极管(LED)等，经过光波的变换以及合成，达到太阳发光的效果。太阳模拟器的出现为全天候及任意位置需要太阳照射条件下的实验提供了模拟太阳光源，在光伏太阳电池发电的性能检查、植物的生长、半导体芯片老化以及医疗保健等领域得到了应用。在实现太阳模拟器中，能够与太阳光谱匹配是关键，为此出现了AM1.5G标准、AM1.5D标准和AM0标准，并且定义太阳模拟器分为A、B和C三个级别。在发光二极管(LED)的出现后，采用了不同数量的LED来合成太阳模拟器的光谱，LED固体光源的太阳模拟成为研究的方向。CN104457981A公开了一种新颖的LED太阳模拟器光谱匹配方案，其采用五种LED来合成太阳模拟器光谱，但是其存在合成光谱与AM1.5G标准中光谱失配度偏差的缺陷，需要进一步地减小光谱失配度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，是用高斯光谱代替LED发光单元的光谱，是用六种光源产生六种高斯光谱，经过反射镜反射合成得到全波段匹配太阳模拟器光谱，该全波段匹配太阳模拟器光谱在AM1.5G标准中的每一个波段光谱辐照度百分比与AM1.5G标准全波段完全匹配，即该合成光谱与AM1.5G标准中每一个波段光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比完全相同，该方法克服了现有技术所采用的合成光谱与AM1.5G标准中光谱失配度偏差的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，使用高斯光谱代替LED光谱，用六种光源产生六种高斯光谱，该六种高斯光谱的中心波长分别落在根据AM1.5G标准的全波段400nm～1100nm中被划分成的第一波段400nm～500nm、第二波段500nm～600nm、第三波段600nm～700nm、第四波段700nm～800nm、第五波段800nm～900nm和第六波段900nm～1100nm这六个波段的中间位置，即上述六种高斯光谱是中心波长分别为450nm、550nm、650nm、750nm、850nm和1000nm，将上述六种高斯光谱经过反射镜聚焦实现光谱的合成得到全波段匹配太阳模拟器光谱，该全波段匹配太阳模拟器光谱在AM1.5G标准的六个波段中的光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比与AM1.5G标准完全匹配，光谱失配度为0。
上述合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，所述六种高斯光谱的标准偏差分别为60nm、60nm、60nm、60nm、60nm和120nm。
上述合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，所述六种高斯光谱的幅度分别为1.238W/m2/nm、0.941W/m2/nm、0.999W/m2/nm、0.669W/m2/nm、0.527W/m2/nm和0.581W/m2/nm。
上述合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，所用的光源和反射镜是本领域公知的设备部件，由公知途径获得；六种高斯光谱经过反射镜聚焦的方式是本领域的技术人员所能掌握的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下：
(1)现有技术中，满足AM1.5G标准的A级太阳模拟器的光谱匹配度75％下限和125％上限的范围，而本发明合成的全波段匹配太阳模拟器光谱的光谱匹配度100％，与AM1.5G标准中全波段完全匹配。
(2)现有技术中采用了认为在400nm～700nm均匀分布的白光LED，而本发明采用高斯光谱模型，调整光谱匹配更灵活。
(3)现有技术中，在700nm～900nm、800nm～900nm和900nm～1100nm采用单一谱线较窄的LED光谱匹配，所合成的光谱在这三个波段的边界会较大变化，而本发明方法采用六种高斯光谱的半宽分别为对应波段宽度的1.4倍，每种高斯光谱覆盖对应该波段外，还延伸到近邻的波段，本发明合成的全波段匹配太阳模拟器光谱更平滑。
(4)现有技术中，调节了400nm～600nm光谱匹配后，再调节在600nm～700nm光谱匹配，最后分别调节700nm～900nm、800nm～900nm和900nm～1100nm光谱匹配，而本发明方法采用六种高斯光谱在400nm～1100nm中整体实现光谱匹配，更加方便快捷。
(5)现有技术中，700nm～900nm、800nm～900nm和900nm～1100nm的LED会不交叠，本发明方法中采用的六种高斯光谱，每一种高斯光谱对其中心波长所在的波段中产生主要的光谱辐照度，也会对该波段相邻的波段中产生一定的光谱辐照度，但是对于更远的波段中产生的光谱辐照度已经很小，有利于实现合成全波段匹配太阳模拟器光谱。
(6)本发明采用AM1.5G标准作为太阳模拟器进行计算，同样的方法可以推广到AM1.5D标准，具有通用性。
本发明所具有的突出的实质性特点和显著的进步在下面的具体实施方式中得到进一步说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明方法用六种光源产生六种高斯光谱进行光谱合成的示意框图。
图2为本发明方法的六种高斯光谱与其合成的全波段匹配太阳模拟器光谱之间关系的λ-I曲线图。
图3为本发明方法所产生的全波段匹配太阳模拟器光谱与AM1.5G标准光谱比较的λ-I曲线图。
图中，101.产生第一种高斯光谱的光源，102.产生第二种高斯光谱的光源，103.产生第三种高斯光谱的光源，104.产生第四种高斯光谱的光源，105.产生第五种高斯光谱的光源，106.产生第六种高斯光谱的光源，107.反射镜，S.合成光谱接收点，201.第一种高斯光谱，202.第二种高斯光谱，203.第三种高斯光谱，204.第四种高斯光谱，205.第五种高斯光谱，206.第六种高斯光谱，207.全波段匹配太阳模拟器光谱，301.AM1.5G标准光谱；
图中，坐标单位的含义是：λ为辐射波长，μm为波长单位，I为光谱辐照度，W/m2/nm为光谱辐照度的单位。
具体实施方式
图1所示实施例显示用六种光源产生六种高斯光谱进行光谱合成的方法，用六种光源产生六种高斯光谱，分别是：产生第一种高斯光谱的光源101，产生第二种高斯光谱的光源102，产生第三种高斯光谱的光源103，产生第四种高斯光谱的光源104，产生第五种高斯光谱的光源105，产生第六种高斯光谱的光源106，上述六种光源产生的六种高斯光谱经过反射镜107聚焦在合成光谱接收点S，实现光谱的合成。
图2所示实施例表明，第一种高斯光谱201的中心波长λ01＝450nm，标准偏差σ1＝60nm，幅度A1＝1.238W/m2/nm；第二种高斯光谱202的中心波长λ02＝550nm，标准偏差σ2＝60nm，幅度A2＝0.941W/m2/nm；第三种高斯光谱203的中心波长λ03＝650nm，标准偏差σ3＝60nm，幅度A3＝0.999W/m2/nm；第四种高斯光谱204的中心波长λ04＝750nm，标准偏差σ4＝60nm，幅度A4＝0.669W/m2/nm；第五种高斯光谱205的中心波长λ05＝850nm，标准偏差σ5＝60nm，幅度A5＝0.527W/m2/nm；第六种高斯光谱206的中心波长λ06＝1000nm，标准偏差σ6＝120nm，幅度A6＝0.581W/m2/nm。图2用λ-I曲线显示了本发明方法的六种高斯光谱201～206与其合成的全波段匹配太阳模拟器光谱207之间的关系：六种高斯光谱中，第一种高斯光谱201中心波长到第二种高斯光谱202中心波长相距100nm，第二种高斯光谱202中心波长到第三种高斯光谱203中心波长相距100nm，第三种高斯光谱203中心波长到第四种高斯光谱204中心波长相距100nm，第四种高斯光谱204中心波长到第五种高斯光谱205中心波长相距100nm，第五种高斯光谱205中心波长到第六种高斯光谱206中心波长相距150nm；从六种高斯光谱的标准偏差的数值看：对应的半宽相当于AM1.5G标准六个波段各自宽度的1.4倍，六种高斯光谱中第一种高斯光谱201到第五种高斯光谱205的标准偏差相等，第六种高斯光谱206的标准偏差为第一种高斯光谱201的2倍；从六种高斯光谱的幅度的数值看：第一种高斯光谱201的幅度分别大于第二种高斯光谱202和第三种高斯光谱203，第二种高斯光谱202的幅度接近第三种高斯光谱203，第二种高斯光谱202和第三种高斯光谱203各自的幅度分别大于第四种高斯光谱204，第四种高斯光谱204的幅度分别大于第五种高斯光谱205和第六种高斯光谱206，第五种高斯光谱205的幅度接近第六种高斯光谱206，第一种高斯光谱201到第六种高斯光谱206的幅度整体上呈现逐渐下降的趋势；六种高斯光谱的半宽分别为对应波段宽度的1.4倍，每种高斯光谱覆盖高斯光谱中心波长所在的波段及该波段的近邻波段，由这六种高斯光谱合成的全波段匹配太阳模拟器光谱207更平滑，全波段匹配太阳模拟器光谱207包含了这六种高斯光谱的特性。
图3所示实施例显示用λ-I曲线显示本发明方法所产生的全波段匹配太阳模拟器光谱与AM1.5G标准光谱的比较情况。图3可见，全波段匹配太阳模拟器光谱207整体上接近了AM1.5G标准光谱301的形状，并且全波段匹配太阳模拟器光谱207分别在AM1.5G标准的第一波段400nm～500nm、第二波段500nm～600nm、第三波段600nm～700nm、第四波段700nm～800nm、第五波段800nm～900nm和第六波段900nm～1100nm的各个波段范围内幅度占整个六个波段总光谱辐照度的百分比与AM1.5G标准相同，表明第一种高斯光谱201、第二种高斯光谱202、第三种高斯光谱203、第四种高斯光谱204、第五种高斯光谱205和第六种高斯光谱206合成的全波段匹配太阳模拟器光谱207的每一个波段的光谱辐照度百分比与AM1.5G标准全波段完全匹配。
实施例
本实施例的合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，使用高斯光谱代替LED光谱，用六种光源产生六种高斯光谱，该六种高斯光谱的中心波长分别落在根据AM1.5G标准的全波段400nm～1100nm中被划分成的第一波段400nm～500nm、第二波段500nm～600nm、第三波段600nm～700nm、第四波段700nm～800nm、第五波段800nm～900nm和第六波段900nm～1100nm这六个波段的中间位置，即上述六种高斯光谱是中心波长分别为450nm、550nm、650nm、750nm、850nm和1000nm，将上述六种高斯光谱经过反射镜聚焦实现光谱的合成得到全波段匹配太阳模拟器光谱207，该全波段匹配太阳模拟器光谱207在AM1.5G标准的六个波段中的光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比与AM1.5G标准完全匹配，光谱失配度为0；上述六种高斯光谱的标准偏差分别为60nm、60nm、60nm、60nm、60nm和120nm；上述六种高斯光谱的幅度分别为1.238W/m2/nm、0.941W/m2/nm、0.999W/m2/nm、0.669W/m2/nm、0.527W/m2/nm和0.581W/m2/nm。
第一种高斯光谱201、第二种高斯光谱202、第三种高斯光谱203、第四种高斯光谱204、第五种高斯光谱205和第六种高斯光谱206，这六种高斯光谱的光谱辐照度分布可以写成
简写成
这里Ii(λ)(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示六种高斯光谱的光谱辐照度，λ为波长，Ai(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示六种高斯光谱的幅度，λi(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示六种高斯光谱的中心波长，σi(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示六种高斯光谱的标准偏差，对应高斯光谱的半宽分别为WFWHMi(i＝1,2,3,4,5,6)，六种高斯光谱的半宽WFWHMi(i＝1,2,3,4,5,6)分别与六种高斯光谱的标准偏差σi(i＝1,2,3,4,5,6)的关系为
利用公式(1-1)～(1-6)这六种高斯光谱合成太阳模拟器的光谱。
太阳模拟器的AM1.5G标准中六个波段分别为400nm～500nm、500nm～600nm、600nm～700nm、700nm～800nm、800nm～900nm和900nm～1100nm，按照波长大小把AM1.5G标准中六个波段表示为第一个波段～第六个波段。
参考AM1.5G标准中六个波段，选择六种高斯光谱是中心波长λ0i(i＝1,2,3,4,5,6)分别为450nm、550nm、650nm、750nm、850nm和1000nm，即λ01＝450nm，λ02＝550nm，λ03＝650nm，λ4＝750nm，λ05＝850nm，λ06＝1000，按照高斯光谱中心波长的大小把六种高斯光谱依次称为第一种高斯光谱～第六种高斯光谱。
六个高斯光谱的中心波长分别落在AM1.5G标准中六个波段的中心，第一种高斯光束～第五种高斯光束每两个近邻光谱的中心波长相距100nm，第五种高斯光束中心波长与第六种高斯光谱中心波长相距150nm。每一个波段只包含一种高斯光谱的中心波长，相比现有技术中一些波段使用多个LED或者多个高斯光谱，本发明在六个波段中每一个波段只对应一种高斯光谱，提高了高斯光谱的利用率。
六种高斯光谱的标准偏差σi(i＝1,2,3,4,5,6)满足
σi＝σj(i,j＝1,2,3,4,5) (1-9)
σ6＝2σ1 (1-10)
结合AM1.5G标准中的六个波段宽度，选择六种高斯光谱的标准偏差σi(i＝1,2,3,4,5,6)分别为60nm、60nm、60nm、60nm、60nm和120nm，即σ1＝60nm、σ2＝60nm、σ3＝60nm、σ4＝60nm、σ5＝60nm及σ6＝120nm，六种高斯光谱的标准偏差σi满足公式(1-9)和(1-10)。
由公式(1-8)计算半宽WFWHMi(i＝1,2,3,4,5,6)，WFWHMi＝141.3nm(i＝1,2,3,4,5)，WFWHM6＝282.6nm，即WFWHMi＝141.3nm(i＝1,2,3,4,5)，相当于AM1.5G标准400nm～500nm、500nm～600nm、600nm～700nm、700nm～800nm和800nm～900nm波段的宽度100nm的1.4倍，WFWHM6＝282.6nm为AM1.5G标准900nm～1100nm波段的宽度200nm的1.4倍，WFWHMi(i＝1,2,3,4,5,6)略大于AM1.5G标准中的六个波段各自宽度，并且六种高斯光谱的半宽WFWHMi(i＝1,2,3,4,5,6)分别满足关系
WFWHMi＝WFWHMj(i,j＝1,2,3,4,5) (1-11)
WFWHM6＝2WFWHM1 (1-12)
六种高斯光谱的幅度分别为A1＝1.238W/m2/nm、A2＝0.941W/m2/nm、A3＝0.999W/m2/nm、A4＝0.669W/m2/nm、A5＝0.527W/m2/nm和A6＝0.581W/m2/nm。第一种高斯光谱的幅度分别大于第二种高斯光谱和第三种高斯光谱，第二种高斯光谱的幅度接近第三种高斯光谱，第二种高斯光谱和第三种高斯光谱各自的幅度分别大于第四种高斯光谱，第四种高斯光谱的幅度分别大于第五种高斯光谱和第六种高斯光谱，第五种高斯光谱的幅度接近第六种高斯光谱，第一种高斯光谱～第六种高斯光谱的幅度整体上呈现逐渐下降的趋势。
六种高斯光谱辐照度分布具体如下：
第一种高斯光谱201表示为，
第二种高斯光谱202表示为，
第三种高斯光谱203表示为，
第四种高斯光谱204表示为，
第五种高斯光谱205表示为，
第六种高斯光谱206表示为，
进一步，求出上述六种高斯光谱中的每一种高斯光谱在AM1.5G标准中六个波段中每一个波段的辐照度：
AM1.5G标准中规定，在400nm～500nm、500nm～600nm、600nm～700nm、700nm～800nm、800nm～900nm和900nm～1100nm的六个波段中，每一种高斯光谱在六个波段中光谱辐照度分别为
其中ri,1、ri,2、ri,3、ri,4、ri,5和ri,6(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示第i种(i＝1,2,3,4,5,6)高斯光谱分别在六个波段中光谱辐照度，可以反映出每一种高斯光谱对中心波长所在波段及近邻波段的光谱辐照度的贡献。用数学上常用的求和代替积分，可以得到第一种高斯光谱201在六个波段中光谱辐照度分别为r1,1＝55.43W/m2、r1,2＝18.26W/m2、r1,3＝0.58W/m2、r1,4＝0、r1,5＝0和r1,6＝0，表明第一种高斯光谱201在第一个波段中产生主要的光谱辐照度，同时在第二个波段中也产生一定光谱辐照度，在第二个波段中产生的光谱辐照度明显小于第一波段，而在第三个波段光谱辐照度很小，在第四、五和六个波段中光谱辐照度为0。同样方法可以计算出第二种高斯光谱202分别在六个波段中光谱辐照度为r2,1＝13.88W/m2、r2,2＝42.13W/m2、r2,3＝13.88W/m2、r2,4＝0.44W/m2、r2,5＝0和r2,6＝0，第三种高斯光谱203分别在六个波段中光谱辐照度为r3,1＝0.47W/m2、r3,2＝14.74W/m2、r3,3＝44.73W/m2、r3,4＝14.74W/m2、r3,5＝0.47W/m2和r3,6＝0，第四种高斯光谱204分别在六个波段中光谱辐照度为r4,1＝0、r4,2＝0.31W/m2、r4,3＝9.87W/m2、r4,4＝29.95W/m2、r4,5＝9.87W/m2和r4,6＝0.31W/m2，第五种高斯光谱205分别在六个波段中光谱辐照度为r5,1＝0、r5,2＝0、r5,3＝0.25W/m2、r5,4＝7.77W/m2、r5,5＝23.60W/m2和r5,6＝8.02W/m2，第六种高斯光谱206分别在六个波段中光谱辐照度为r6,1＝0、r6,2＝0.04、r6,3＝0.51W/m2、r6,4＝3.63W/m2、r6,5＝13.50W/m2和r6,6＝52.02W/m2，因此所采用的六种高斯光谱，每一种高斯光谱对其中心波长所在的波段中产生主要的光谱辐照度，同样也会对该波段相邻的波段中产生光谱辐照度，对于更远的波段中产生的光谱辐照度已经很小，这为合成的全波段匹配太阳模拟器光谱207达到AM1.5G标准提供了条件。
再一步，六种高斯光谱的合成的全波段匹配太阳模拟器光谱207It(λ)及光谱匹配度
六种高斯光谱I1(λ)、I2(λ)、I3(λ)、I4(λ)、I5(λ)和I6(λ)的通过反射镜的合成为
It(λ)＝I1(λ)+I2(λ)+I3(λ)+I4(λ)+I5(λ)+I6(λ) (3-1)
使用确定六种高斯光谱Ii(λ)(i＝1,2,3,4,5,6)代入(3-1)得到在接收点C的全波段匹配太阳模拟器光谱207为：
其中It(λ)为六种高斯光谱的全波段匹配太阳模拟器光谱207的光谱辐照度。
可以通过计算六个高斯光谱分别该波段的光谱辐照度之和，计算全波段匹配太阳模拟器光谱207It(λ)分别在AM1.5G标准中六个波段中每一个波段的光谱辐照度，对于第j个波段光谱辐照度可以由公式
Rj表示全波段匹配太阳模拟器光谱207在第j个波段中光谱辐照度，根据公式(3-3)以及计算六个高斯光谱分别在六个波段中的光谱辐照度，可以得到全波段匹配太阳模拟器光谱207分别在六个波段中光谱辐照度分别R1＝69.78W/m2、R2＝75.48W/m2、R3＝69.82W/m2、R4＝56.53W/m2、R5＝47.44W/m2和R6＝60.35W/m2。
全波段匹配太阳模拟器光谱207的光谱辐照度It(λ)在六个波段中的各自波段光谱辐照度占整个六个波段总光谱辐照度的百分比为
Pj(j＝1,2,3,4,5,6)表示全波段匹配太阳模拟器光谱207在第j个波段中光谱辐照度，根据全波段匹配太阳模拟器光谱207在第j个波段光谱辐照度Rj(j＝1,2,3,4,5,6)，可以得到全波段匹配太阳模拟器光谱207在六个波段中光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比分别为P1＝18.4％、P2＝19.9％、P3＝18.4％、P4＝14.9％、P5＝12.5％和P6＝15.9％，与AM1.5G标准全波段完全匹配,即本发明实现的全波段匹配太阳模拟器光谱207与与AM1.5G标准全波段的光谱匹配度为100％，光谱失配度为0。
上述实施例中所用的光源和反射镜是本领域公知的设备部件，由公知途径获得；六种高斯光谱经过反射镜聚焦的方式是本领域的技术人员所能掌握的。
Claims (3)
1.合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，其特征在于：用六种光源产生六种高斯光谱，该六种高斯光谱的中心波长分别落在根据AM1.5G标准的全波段400nm～1100nm中被划分成的第一波段400nm～500nm、第二波段500nm～600nm、第三波段600nm～700nm、第四波段700nm～800nm、第五波段800nm～900nm和第六波段900nm～1100nm这六个波段的中间位置，即上述六种高斯光谱是中心波长分别为450nm、550nm、650nm、750nm、850nm和1000nm，将上述六种高斯光谱经过反射镜聚焦实现光谱的合成得到全波段匹配太阳模拟器光谱，该全波段匹配太阳模拟器光谱在AM1.5G标准的六个波段中的光谱辐照度所占整个六个波段总光谱辐照度的百分比与AM1.5G标准完全匹配，光谱失配度为0。
2.根据权利要求1所述合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，其特征在于：所述六种高斯光谱的标准偏差分别为60nm、60nm、60nm、60nm、60nm和120nm。
3.根据权利要求1所述合成全波段匹配太阳模拟器光谱的方法，其特征在于：所述六种高斯光谱的幅度分别为1.238W/m2/nm、0.941W/m2/nm、0.999W/m2/nm、0.669W/m2/nm、0.527W/m2/nm和0.581W/m2/nm。
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