CN106764680A - 三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统 - Google Patents

三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统 Download PDF

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刘洪波
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王丽
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Abstract

三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，涉及光谱技术领域，解决现有太阳模拟器光学系统在局部谱段与太阳光谱存在差距，导致无法满足测量要求等问题，包括氙灯、椭球反射镜、滤光片阵列、第一平面反射镜、AM0滤光片、光学积分器、第二平面反射镜和准直物镜，还包括滤光片阵列；滤光片阵列包括第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片各两片；所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片均为两片，且沿圆周间隔均布；氙灯发出的光经椭球反射镜反射后，通过滤光片阵列滤光，再经过第一平面反射镜改变光束方向后由AM0滤光片再次滤光，并汇聚于光学积分器，然后依次经光学积分器、第二平面反射镜以及准直物镜后投影到辐照面上，形成均匀的辐照面。

Description

三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统。
背景技术
太阳模拟器是在室内模拟在不同大气质量条件下太阳光辐照特性的一种试验或标定设备。太阳模拟技术应用在很多领域，例如航天器的地面环境模拟试验；卫星飞行姿态控制用的太阳敏感器的地面模拟试验与标定；太阳光伏器件太阳电池的试验与检测，遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照，生物科学中研究植物发育与培育良种等等。不同场所的应用对太阳光辐照的要求是不同的，因此对太阳模拟器光学系统的要求也是有区别的。
目前人类在太空中的卫星等航天器两端都安装了大型的空间太阳电池阵，它是卫星等航天器的核心供电装置。随着空间太阳电池阵的不断发展，三结砷化镓电池已经逐渐取代了传统的硅光电池。三结砷化镓电池的光电转换效率比硅光电池要高很多，同时三结砷化镓电池的耐温性也比较好，而且可以制成薄膜和超薄型太阳电池。三结砷化镓电池的测试需要精确模拟空间太阳光的光谱特性。
现有AAA级太阳模拟器光学系统，它的光谱匹配精度可以达到A级标准。
但存在的主要问题是：使用单一的AM0滤光片对氙灯光谱进行滤光，虽然能使系统满足A级光谱匹配要求，但在各个局部谱段与AM0太阳光谱有一些差距，特别是在800nm～1000nm之间有较大差距，无法满足测试三结砷化镓电池的要求。
发明内容
本发明为解决现有太阳模拟器光学系统在局部谱段与太阳光谱存在差距，导致无法满足测量要求等问题，提供一种三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统。
三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，包括氙灯、椭球反射镜、滤光片阵列、第一平面反射镜、AM0滤光片、光学积分器、第二平面反射镜和准直物镜，还包括滤光片阵列；
所述滤光片阵列包括第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片各两片；所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片均为两片，且沿圆周间隔均布；
所述氙灯发出的光经椭球反射镜反射后，通过滤光片阵列滤光，再经过第一平面反射镜改变光束方向后由AM0滤光片再次滤光，并汇聚于光学积分器，然后依次经光学积分器、第二平面反射镜以及准直物镜后投影到辐照面上，形成均匀的辐照面。
本发明的有益效果：本发明为提高太阳模拟器光学系统的光谱匹配精度，解决三结砷化镓电池测试对光谱匹配要求苛刻的问题。本发明通过四种滤光片的配合使光学系统的光谱匹配精度大大提高，满足了三结砷化镓太阳电池的测试要求；积分器使用更多的元素透镜使得系统的均匀性更好达到，有利于均匀性的调节；最终获得了一种满足三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统。
本发明中的太阳模拟器光学系统使用四种滤光片互相配合，能够在0.3μm～0.65μm，0.65μm～0.9μm，0.9μm～1.7μm各谱段内准确的模拟太空环境中太阳光的辐照度，可以为三结砷化镓电池的测试和筛选提供可靠的数据，从而为卫星的太阳电池阵性能提供有效的依据。
附图说明
图1为本发明的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统结构示意图；
图2为本发明中滤光片阵列的结构示意图；
图3为本发明中的光学积分器的正视结构示意图；
图4为图3的侧视结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，包括氙灯1、椭球反射镜2、滤光片阵列3、第一平面反射镜4、AM0滤光片5、光学积分器6、第二平面反射镜7和准直物镜8；滤光片阵列3包括第一滤光片9、第二滤光片10和第三滤光片11各两片；光学积分器6如图3和图4所示，包括元素透镜12、场镜光胶板13、投影镜光胶板14和迭加透镜15。25块正方形元素透镜12光胶在场镜光胶板13上构成场镜，25块正方形元素透镜12光胶在投影镜光胶板14上构成投影镜，两镜组同光轴相反安装。
具体结构关系是：氙灯1的阴极尖端位于椭球反射镜2的第一焦点处，两者的光轴重合；滤光片阵列3位于椭球反射镜2的上方，与椭球反射镜2同光轴，第一滤光片9、第二滤光片10和第三滤光片11三种各两片，六片滤光片成60度在圆周上均布。第一平面反射镜4与椭球反射镜2的光轴成45度角，椭球反射镜2的光轴通过第一平面反射镜4的中心。第一平面反射镜4的中心、光学积分器6的中心、第二平面反射镜7的中心在同一光轴线上，该同一光轴线与椭球反射镜2的光轴垂直；在同一光轴线上从左至右依此排列装有AM0滤光片5和光学积分器6；AM0滤光片5的透光面与同一光轴线成70度角；光学积分器6包括场镜、投影镜和迭加透镜15，场镜位于椭球反射镜2的第二焦点上，从左至右依次是场镜、和迭加透镜15。第二平面反射镜7的反射面与同一光轴线成45度角。准直物镜8的光轴通过第二平面反射镜7的中心，同时准直物镜8的光轴与第二平面反射镜7、光学积分器6、第一平面反射镜4所在的同一光轴线垂直。
本发明的工作原理：如图1所示，氙灯1发出的光，经椭球反射镜2反射后，通过滤光片阵列3滤光，再经过第一平面反射镜4改变光束方向，再经过AM0滤光片5再次滤光，得到与太阳光谱接近的光谱分布，然后以给定的包容角汇聚于光学积分器6的场镜处，形成一个较大范围的辐照分布，这个较大范围的辐照分布经一系列元素透镜12分割后形成多个光通道，再经光学积分器6的投影镜阵列对应的元素透镜12成像到无穷远，经过迭加透镜15形成一个较均匀的辐照范围，然后经第二平面反射镜7改变光束方向，最后通过准直物镜8以一定的光束准直角，投影到辐照面上，形成一个均匀的辐照面。
本实施方式中所述的氙灯1功率为1kW；椭球反射镜2材料为铝7075，光学表面镀镍之后镀铝反射膜和二氧化硅保护膜；滤光片阵列3共三组滤光片，每组两片，其中第一滤光片9为钢化透红外玻璃HB700，第二滤光片10为隔热玻璃GRB3，第三滤光片11为800nm～1000nm的带通滤光片，材料为JGS3玻璃；第一平面反射镜4的材料采用铝7075，与椭球反射镜2采用相同工艺；AM0滤光片5为800nm～1000nm的带阻滤光片，材料为JGS3玻璃；制作光学积分器6中的场镜和投影镜的元素透镜12、场镜光胶板13、投影镜光胶板14以及迭加透镜15的材料均采用JGS3石英玻璃，光学积分器6的每一个元素透镜12，均为平凸型正方柱体，元素透镜12与场镜光胶板13以及投影镜光胶板14之间为光胶连接，各元素透镜柱面之间为自然贴合，由25个元素透镜12组成。第二平面反射镜7材料使用K9玻璃，在光学面上镀铝反射膜和二氧化硅保护膜；准直物镜8采用双凸透镜，材料采用K9玻璃，两光学表面镀减反膜。最终达到图1所示效果，得到满足三结砷化镓电池测试使用要求的太阳模拟器光学系统。

Claims (9)

1.三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，包括氙灯(1)、椭球反射镜(2)、滤光片阵列(3)、第一平面反射镜(4)、AM0滤光片(5)、光学积分器(6)、第二平面反射镜(7)和准直物镜(8)；其特征是，还包括滤光片阵列(3)；
所述滤光片阵列(3)包括第一滤光片(9)、第二滤光片(10)和第三滤光片(11)各两片；所述第一滤光片(9)、第二滤光片(10)和第三滤光片(11)均为两片，且沿圆周间隔均布；
所述氙灯(1)发出的光经椭球反射镜(2)反射后，通过滤光片阵列(3)滤光，再经过第一平面反射镜(4)改变光束方向后由AM0滤光片(5)再次滤光，并汇聚于光学积分器(6)，然后依次经光学积分器(6)、第二平面反射镜(7)以及准直物镜(8)后投影到辐照面上，形成均匀的辐照面。
2.根据权利要求1所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述光学积分器(6)包括场镜、投影镜和迭加透镜(15)，所述场镜位于椭球反射镜(2)的第二焦点处，在第二焦点处后依次安装投影镜和迭加透镜(15)。
3.根据权利要求2所述的太阳模拟器的光学系统，其特征在于，所述场镜由多块元素透镜(12)光胶在场镜光胶板(13)上构成，投影镜由多块元素透镜(12)光胶在投影镜光胶板(14)上构成；所述场镜和投影镜同光轴相反安装。
4.根据权利要求3所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述多块元素透镜(12)为25块正方形元素透镜(12)；每块元素透镜(12)为平凸型正方柱体。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述氙灯(1)的阴极尖端位于椭球反射镜(2)的第一焦点处，氙灯(1)光轴与椭球反射镜(2)的光轴重合；滤光片阵列(3)位于椭球反射镜(2)的上方，与椭球反射镜(2)同光轴，第一平面反射镜(4)与椭球反射镜(2)的光轴成45度角，椭球反射镜(2)的光轴通过第一平面反射镜(4)的中心。
6.根据权利要求5所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述第一平面反射镜(4)的中心、光学积分器(6)的中心、第二平面反射镜(7)的中心在同一光轴线上，
所述同一光轴线与椭球反射镜(2)的光轴垂直；在所述同一光轴线上从左至右依此排列安装AM0滤光片(5)和光学积分器(6)；所述AM0滤光片(5)的透光面与所述同一光轴线成70度角；
所述第二平面反射镜(7)的反射面与所述同一光轴线成45度角，准直物镜(8)的光轴通过第二平面反射镜(7)的中心。
7.根据权利要求6所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述准直物镜(8)的光轴与第二平面反射镜(7)、光学积分器(6)、第一平面反射镜(4)所在的同一光轴线垂直。
8.根据权利要求1所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述第一滤光片(9)为钢化透红外玻璃HB700，第二滤光片(10)为隔热玻璃GRB3，第三滤光片(11)为800nm～1000nm的带通滤光片，材料为JGS3玻璃。
9.根据权利要求1所述的三结砷化镓太阳电池测试用的太阳模拟器光学系统，其特征在于，所述准直物镜(8)采用双凸透镜。
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