CN108241205B - 一种反射式led太阳模拟器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式LED太阳模拟器光学系统，包括：环形LED阵列光源1、抛物面反射镜2、集束式积分棒3和非球面准直透镜4；环形LED阵列光源包括：LED光源11，环形铝基板12、环形散热器13；所述的环形铝基板12中央开有一个正方形孔，以安装集束式积分棒3；LED光源11呈环形阵列式排列在铝基板12上；上方为抛物面反射镜，下方为非球面准直透镜4；所述的集束式积分棒3位于抛物面反射镜2的焦平面处；具有光能利用率高，混光充分、有效提高辐射光谱匹配性和光谱一致性；提高了辐射均匀性、输出辐射照度，在工作面处获得辐射度均匀一致、光谱一致的太阳模拟光斑。

Description

一种反射式LED太阳模拟器光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种反射式LED太阳模拟器光学系统。
背景技术
太阳模拟器作为一种重要的室内检测与试验设备，在航天、太阳能利用、气象科学、新材料开发、农林育种、医疗保健等领域具有广泛应用。
随着新型半导体发光器件LED的出现与应用，以LED为光源的太阳模拟器具有节能高效、绿色环保、可控性强、使用寿命长等优点，成为各国研究的热点，涌现不同类型的LED太阳模拟器。
现有LED太阳模拟器的光学系统因其结构原因，光能利用率低，输出辐射照度低；虽然光谱匹配性有所改善，但辐射光斑内的光谱一致性有待提高，这些不足限制了LED太阳模拟器的性能提高和推广应用。
发明内容
本发明的目的是为解决现有LED太阳模拟器的光学系统光能利用率低，输出辐射照度低，辐射光斑内的光谱一致性的问题，而提供提供一种反射式LED太阳模拟器光学系统。用于模拟太阳光辐射特征，提高输出辐射照度和辐射光谱匹配性。
一种反射式LED太阳模拟器光学系统，包括：环形LED阵列光源1、抛物面反射镜2、集束式积分棒3和非球面准直透镜4；
环形LED阵列光源包括：LED光源 11 ，环形铝基板 12 、环形散热器 13 ；
所述的环形铝基板 12 中央开有一个正方形孔，以安装集束式积分棒 3 ；LED光源11 呈环形阵列式排列在铝基板 12 上；上方为抛物面反射镜，下方为非球面准直透镜4；所述的集束式积分棒 3 位于抛物面反射镜 2 的焦平面处；
所述的LED光源 11 经二次光学整形，辐射通量的发散角均为20°；
所述的LED光源 11 ，共144颗，第一圈6个，第二圈12个，第三圈18个，第四圈24个，第五圈24个，第六圈24个，第七圈35个；
所述的抛物面反射镜2采用硅硼酸盐为基体材料，镀铝反射膜；
所述的抛物面反射镜2的焦距66mm，开口直径为356mm，高度为118mm；
所述的集束式积分棒 3 ，由 25根长立方透镜，按照5×5光胶拼接而成，形成25个光通道；
所述的非球面准直透镜 4 ，采用GS3石英玻璃材料，为平凸透镜，凸面为非球面；
所述的非球面准直透镜4的非球面系数：R=681.5mm，K=-0.585367；非球面公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
所述的环形LED阵列光源还设有环形散热器 13 ，它是以硬铝为材料，呈环形，异端平面，一端胶结在LED光源 11 下方，另一端具有矩形并环形阵列的散热翅片。
本发明提供了一种反射式LED太阳模拟器光学系统，包括：环形LED阵列光源1、抛物面反射镜2、集束式积分棒3和非球面准直透镜4； 环形LED阵列光源包括：LED光源11，环形铝基板12、环形散热器13；所述的环形铝基板 12 中央开有一个正方形孔，以安装集束式积分棒 3 ；LED光源 11 呈环形阵列式排列在铝基板 12 上；上方为抛物面反射镜，下方为非球面准直透镜4；所述的集束式积分棒 3 位于抛物面反射镜 2 的焦平面处；
本发明的一种反射式LED太阳模拟器光学系统采用环形LED阵列作为光源来模拟太阳的辐射特征，采用的抛物面反射镜具有光能利用率高，混光充分、有效提高辐射光谱匹配性和光谱一致性等优点；加入的集束式积分棒极大地提高了辐射均匀性，使出的辐射梯度变得更加平缓；辐射准直系统采用单块非球面准直透镜，结构单，有效提高输出辐射照度，在工作面处获得辐射度均匀一致、光谱一致的太阳模拟光斑。本发明的一种高辐射LED太阳模拟器光学系统具有结构简单、节能高效、绿色环保等优点，有效地解决了在室内模拟太阳光辐射测试的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种反射式LED太阳模拟器光学系统组成示意图；
图2为本发明一种反射式LED太阳模拟器光学系统原理图；
图3为本发明提供的环形LED阵列光源组成图；
图4为本发明提供的LED光源布置方式图；
图5为本发明提供的抛物面反射镜结构图；
图6为本发明提供的集束式积分棒结构图；
图7为本发明实提供的非球面准直透镜结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1 一种反射式LED太阳模拟器光学系统
请参见图1，一种反射式LED太阳模拟器光学系统，它包括：环形LED阵列光源 1 、抛物面反射镜 2 、集束式积分棒 3 和非球面准直透镜 4 。
其中，环形LED阵列光源 1 上方放置抛物面反射镜 2 ，下方放置非球面准直透镜4 ，中央安装有集束式积分棒 3 ，并且集束式积分棒 3 位于抛物面反射镜 2 的焦平面处。
环形LED阵列光源 1 ，呈环形，用于模拟太阳光的辐射光谱、辐射度、辐射分布等辐射特征；
抛物面反射镜 2 ，位于环形LED阵列光源 1 上方，对环形LED阵列光源 1 的辐射通量进行反射与汇聚，以提高模拟太阳光的辐射度；
集束式积分棒 3 位于环形LED阵列光源 1 中央，并位于抛物面反射镜 2 的焦平面处，用于对抛物面反射镜 2 汇聚的辐射通量进行混光与匀光处理，提高模拟太阳光的辐射均匀性、光谱匹配性及光谱一致性；
非球面准直透镜 4 位于集束式积分棒 3 下端，用于对辐射通量进行准直处理，在工作面上获得高辐射度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。
值得说明的是，本实施例的一种反射式LED太阳模拟器光学系统，采用环形LED阵列作为光源，采用的抛物面反射镜具有光能利用率高，混光充分、有效提高辐射光谱匹配性和光谱一致性等优点，利用集束式积分棒能极大地提高辐射均匀性，准直系统采用单块非球面准直透镜，有效提高输出辐射照度，在工作面处获得辐射度均匀一致、光谱一致的太阳模拟光斑。本实施例的一种反射式LED太阳模拟器光学系统具有结构简单、节能高效、绿色环保等优点，有效地解决了在室内模拟太阳光辐射测试的需要。
实施例2一种反射式LED太阳模拟器光学系统
请参见图2-7，一种反射式LED太阳模拟器光学系统
它包括：环形LED阵列光源 1 、抛物面反射镜 2 、集束式积分棒 3 和非球面准直透镜 4 ；
环形LED阵列光源包括：LED光源 11 ，环形铝基板 12 、环形散热器13 。
其中，LED光源11共144个，均匀安装在环形铝基板12上，每个LED光源 11 下方都胶结有环形散热器13。
LED光源 11 ，共144颗，经二次光学整形，辐射通量的发散角均为20°，按照第一圈6个，第二圈12个，第三圈18个，第四圈24个，第五圈24个，第六圈24个，第七圈35个，安装于环形铝基板12 上，构成环形平面阵列，用于模拟太阳辐射光谱；
环形铝基板12，以硬铝为材料，呈环形，具有串并联电路，用于安装与控制LED光源11，中央开有一个正方形孔，以安装集束式积分棒3；
环形散热器 13，以硬铝为材料，呈环形，异端平面，一端胶结在LED光源 11 下方，另一端具有矩形并环形阵列的散热翅片，用于对所述LED光源 11 进行散热。
为本发明提供的一种反射式LED太阳模拟器光学系统的原理是144个发散角均为20°的LED光源 11 排布在环形铝基板 12上，首先，环形LED阵列光源 1 模拟太阳光的辐射特征，通过抛物面反射镜 2 对LED光源 11 的辐射通量进行反射与汇聚，再经集束式积分棒3进行混光与匀光处理，最后经非球面准直透镜4进行准直处理，在工作面上获得高辐射度且均匀一致的模拟太阳辐射光斑。
所述的抛物面反射镜2采用硅硼酸盐为基体材料，镀铝反射膜，焦距66mm，开口直径为356mm，高度为118mm，用于对环形LED阵列光源 1 的辐射通量进行反射与汇聚。
所述的集束式积分棒 3 （如图6所示），由 25根长立方透镜，按照5×5光胶拼接而成，形成25个光通道。每个长立方透镜，单独形成一个光通道，透镜为具有一定曲率的正透镜。集束式积分棒 3 用于对由环形LED阵列光源 1 汇聚的辐射通量进行分割与叠加，进行混光与匀光处理；
所述的非球面准直透镜4，采用GS3石英玻璃材料，为平凸透镜，凸面为非球面，非球面系数：R=681.5mm，K=-0.585367；非球面公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，用于对辐射通量进行准直处理。
本实施例详细介绍了一种反射式LED太阳模拟器光学系统的结构组成和工作原理。本发明的一种反射式LED太阳模拟器光学系统采用环形LED阵列作为光源来模拟太阳的辐射特征，具有结构简单、节能高效、绿色环保等优点。采用的抛物面反射镜光能利用率高，混光充分、可以有效地提高辐射光谱匹配性和光谱一致性。加入的集束式积分棒极大地提高了辐射均匀性，使出的辐射梯度变得更加平缓。辐射准直系统采用单块非球面准直透镜，结构简单，有效提高输出辐射照度。本发明的一种反射式LED太阳模拟器光学系统光学系统可有效地解决了在室内模拟太阳光辐射测试的需要。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种反射式LED太阳模拟器光学系统，包括：环形LED阵列光源(1)、抛物面反射镜(2)、集束式积分棒(3)和非球面准直透镜(4)；环形LED阵列光源包括：LED光源（11），环形铝基板（12）、环形散热器（13）；所述的环形铝基板（12）中央开有一个正方形孔，以安装集束式积分棒（3）；LED光源（11）呈环形阵列式排列在铝基板（12）上；上方为抛物面反射镜，下方为非球面准直透镜 (4)；所述的集束式积分棒（3）位于抛物面反射镜（2）的焦平面处，所述的集束式积分棒（3）位于环形LED阵列光源(1)中央，所述的非球面准直透镜 (4)为单块非球面准直透镜，所述的非球面准直透镜（4）的非球面系数：R=681.5mm，K=-0.585367；非球面公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
所述的LED 光源（11）经二次光学整形，辐射通量的发散角均为20°，所述的LED 光源（11），共144颗，第一圈6个，第二圈12个，第三圈18个，第四圈24个，第五圈24个，第六圈 24个，第七圈35个，所述的抛物面反射镜(2)采用硅硼酸盐为基体材料，镀铝反射膜，所述的抛物面反射镜（2）的焦距66mm，开口直径为356mm，高度为118mm；所述的集束式积分棒（3），由25根长立方透镜，按照5×5光胶拼接而成，形成25个光通道，所述的非球面准直透镜（4），采用GS3石英玻璃材料，为平凸透镜，凸面为非球面；所述的环形LED阵列光源还设有环形散热器（13），它是以硬铝为材料，呈环形，异端平面，一端胶结在 LED光源（11）下方，另一端具有矩形并环形阵列的散热翅片。
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