CN108443744A - 一种高辐照led太阳模拟器光学系统 - Google Patents

一种高辐照led太阳模拟器光学系统 Download PDF

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苏拾
张国玉
王凌云
孙高飞
刘石
郑茹
陈启梦
张健
徐达
王基强
王立辉
王逸文
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Abstract

本发明公开了一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，包括：LED阵列光源、球面支架、集束式积分棒和非球面准直透镜；由发散角均为15°的LED光源模块所组成的LED阵列光源安装于球面支架上，对144颗LED光源模块进行空间球面阵列，其辐射通量汇聚到集束式积分棒前端，经集束式积分棒混光与匀光处理后，再利用非球面准直透镜对辐射通量进行准直处理，在工作面上获得高辐照度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。具有结构简单、节能高效、绿色环保等优点，在航天器地面模拟试验、光伏器件开发、材料老化测试、农林培育与医用保健等方面具有广泛地应用。

Description

一种高辐照LED太阳模拟器光学系统
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，涉及一种高辐照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
本发明的目的是提供一种高辐照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。
一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，包括：LED阵列光源1 、球面支架 2 、集束式积分棒 3 和非球面准直透镜 4 ；
所述球面支架 2 呈穹顶状，LED阵列光源 1 是LED光源模块阵列在球面支架 2 的穹顶内，构成空间球面阵列；
所述的集束式积分棒 3 由多个长立方透镜 31 组成；
所述非球面准直透镜 4 为平凸透镜，凸面为非球面；
集束式积分棒 3 放在LED阵列光源 1 的焦平面上，再经非球面准直透镜 4 进行准直处理；
所述的LED光源模块的LED光源 111 进行了二次光学开发，具有15°的出光发散角，用于对辐射通量进行整形；
所述的LED光源模块，共144颗，按照中心1个、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个安装于所述的球面支架 2 上，构成空间球面阵列；
所述的球面支架2）半径为135mm，开口直径为350mm，设有圆孔， LED光源111安装在圆孔内；
所述的LED光源模块设有散热器112，固定在LED光源111上，通过可调装置固定在球面支架2；
所述的集束式积分棒3为25根长立方透镜31，按照5×5光胶拼接，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，非球面系数：R=681.5，K=-0.585367；非球面公式：。
本发明提供了一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，包括：LED阵列光源、球面支架、集束式积分棒和非球面准直透镜；由发散角均为15°的LED光源模块所组成的LED阵列光源安装于球面支架上，对144颗LED光源模块进行空间球面阵列，其辐射通量汇聚到集束式积分棒前端，经集束式积分棒混光与匀光处理后，再利用非球面准直透镜对辐射通量进行准直处理，在工作面上获得高辐照度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。
本发明的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统采用LED空间球面阵列作为光源来模拟太阳的辐射特征，具有光能利用率高，混光充分等优点；加入的集束式积分棒极大地提高了辐射均匀性，使输出的辐射梯度变得更加平缓，更好地提升了匀光效果；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。本发明的一种高辐照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光模太阳拟辐射测试的需要。
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为本发明实施例一提供的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统组成示意图；
图2为本发明一种高辐照LED太阳模拟器光学系统原理图；
图3为本发明球面支架结构图；
图4为本发明LED光源模块组成图；
图5为本发明集束式积分棒组成图；
图6为本发明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
图1为本发明实施例一提供的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统结构示意图。如图1所示，本实施例的一种高辐照强度LED太阳模拟器包括：LED阵列光源1 、球面支架 2 、集束式积分棒 3 和非球面准直透镜 4 。
其中，LED阵列光源 1 由发散角均为15°的144个波长范围在400～1100nm的LED组成，通过空间球面阵列的方式安装于所述球面支架 2 上，用于模拟太阳光的辐射光谱、辐射度、辐射分布等辐射特征；
球面支架 2 用于安装LED阵列光源 1 ，对LED阵列光源 1 的辐射通量进行汇聚，以提高模拟太阳光的辐射度；
集束式积分棒光 3 位于球面支架 2 后端，用于对LED阵列光源 1 汇聚的辐射通量进行匀化处理，提高模拟太阳光的辐射光谱与真实太阳光谱的匹配性；
非球面准直透镜 4 位于集束式积分棒光 3 后端，用于对模拟太阳光的辐射通量进行准直处理，在工作面上获得高辐照度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。
值得说明的是，本实施例的一种高辐照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。对144颗LED光源模块进行空间球面排列，将其辐射通量经集束式积分棒的混光与匀光处理，再利用非球面准直透镜进行准直，在工作面上获得高辐照度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。与现有的太阳模拟器的光学系统相比，本实施例的一种高辐照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。
图2为本发明实施例二提供的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统原理图。如图2所示，由发散角均为15°的LED光源模块所组成的LED阵列光源 1 安装于球面支架 2 上，首先对144颗LED光源模块进行空间球面阵列，其辐射通量汇聚到集束式积分棒 3前端，然后经集束式积分棒3 混光与匀光处理后，再利用非球面准直透镜4 对辐射通量进行准直处理，最后在工作面上获得高辐照度且均匀一致的太阳模拟辐射光斑。
图3为本发明实施例三提供的球面支架结构图。如图3所示，球面支架 2 采用硬铝2A12为材料，呈穹顶状，球半径为135mm，开口直径为350mm，加工有144个直径为30mm的圆孔，用于安装LED光源模块。
图4为本发明实施例四提供的光源模块组成图。如图4所示，LED光源模块包括：LED光源111 、散热器112 ；
LED光源111，焊接在散热器112 上。进行二次光学开发，具有15°的出光发散角，用于对辐射通量进行整形；
散热器112为22mm×22mm×10mm的立方体，放置于LED光源111下，一端为平面用于胶结LED光源111，另一端具有多个矩形散热翅片，用于对LED光源 111进行有效散热，并具有安装与调整螺纹孔，用于安装与调制LED光源模块。
图5为本发明实施例五提供的集束式积分棒组成图。如图5所示，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，每个长立方透镜，透镜为具有一定曲率的正透镜。
图6为为本发明实施例六提供的非球面准直透镜结构图。如图6所示，非球面准直透镜结构图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=681.5，K=-0.585367；非球面公式： 。
本实施例详细介绍了一种高辐照LED太阳模拟器光学系统的结构组成和工作原理。本发明的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统采用LED空间球面阵列作为光源来模拟太阳的辐射特征，具有光能利用率高，混光充分等优点；加入的集束式积分棒极大地提高了辐射均匀性，使输出的辐射梯度变得更加平缓，更好地提升了匀光效果；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，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，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 (7)

1.一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于，包括：LED阵列光源（1）、球面支架（2）、集束式积分棒（3）和非球面准直透镜（4）；
所述球面支架（2）呈穹顶状，LED阵列光源（1）是LED光源模块阵列在球面支架（2）的穹顶内，构成空间球面阵列；
所述的集束式积分棒（3）由多个长立方透镜（31）组成；
所述非球面准直透镜（4）为平凸透镜，凸面为非球面；
集束式积分棒（3）放在LED阵列光源（1）的焦平面上，再经非球面准直透镜（4）进行准直处理。
2.根据权利要求1所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：所述的LED光源模块的LED光源（111）进行了二次光学开发，具有15°的出光发散角，用于对辐射通量进行整形。
3.根据权利要求2所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：所述的LED光源模块，共144颗，按照中心1个、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个安装于所述的球面支架（2）上，构成空间球面阵列。
4. 根据权利要求3所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：所述的球面支架（2）半径为135mm，开口直径为350mm，设有圆孔， LED光源（111）安装在圆孔内。
5.根据权利要求4所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：所述的LED光源模块设有散热器（112），固定在LED光源（111）上，通过可调装置固定在球面支架（2）。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：所述的集束式积分棒（3）为25根长立方透镜（31），按照5×5光胶拼接，形成25个光通道。
7. 根据权利要求6所述的一种高辐照LED太阳模拟器光学系统，其特征在于：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=681.5，K=-0.585367；非球面公式：。
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