CN216345776U

CN216345776U - 一种光谱模拟系统

Info

Publication number: CN216345776U
Application number: CN202123248638.1U
Authority: CN
Inventors: 朱瑞; 朱健; 郝成龙; 谭凤泽
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-12-22

Abstract

本实用新型提供了一种光谱模拟系统，包括：发光模组、超表面会聚元件、混光器和分光透镜；发光模组包括多种光源；超表面会聚元件的超表面结构单元用于将发光模组发出的至少一种所需波长的至少部分光线会聚至混光器，且任意一种所需波长的至少部分光线能够被至少部分超表面结构单元会聚至混光器；混光器用于将多种所需波长的光线进行混合；分光透镜用于对混合后的光线进行分光，并出射。通过本实用新型实施例提供的光谱模拟系统，利用超表面会聚元件实现对多种所需波长的光线的会聚，结构简单，成本低，且易集成化。并且，该光谱模拟系统的尺寸可以做到较小，整体更加微型化，能够适用于小型化的应用场景，可以与更多的应用场景兼容。

Description

一种光谱模拟系统

技术领域

本实用新型涉及模拟光谱技术领域，具体而言，涉及一种光谱模拟系统。

背景技术

光谱模拟系统用于模拟生成所需的光谱，例如太阳光模拟系统可以模拟生成太阳光(或自然光)。由于光谱模拟系统本身体积紧凑科学，测试过程不受环境、气候、时间等因素影响，从而避免了室外测量的各种因素限制，有利于结果的重现，所以现在国内外广泛用室内模拟测试来代替室外测试。

太阳光模拟系统等广泛应用于材料老化性能测试，汽车内外饰老化测试，太阳能电池特性测试，特殊照明，光电材料特性测试，环境研究等。作为衡量产品的技术指标，可以从光谱分布、积分强度均匀性和光辐射状态的稳定性三个方面考量光源与真实阳光的一致性。

当前的光谱模拟系统中的光源模组中，每一个光源都配有一个聚焦透镜，成本较高，且存在不同透镜之间的对准问题，增加了系统复杂度。另外，受限于传统透镜尺寸，当前的光谱模拟系统尺寸较大，不适宜一些小型化的应用场景。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种光谱模拟系统。

本实用新型实施例提供了一种光谱模拟系统，包括：发光模组、超表面会聚元件、混光器和分光透镜；

所述发光模组包括多种光源，每种所述光源用于发出一种所需波长的光线；

所述超表面会聚元件包括多个超表面结构单元，所述超表面结构单元用于将所述发光模组发出的至少一种所述所需波长的至少部分光线会聚至所述混光器，且任意一种所述所需波长的至少部分光线能够被至少部分所述超表面结构单元会聚至所述混光器；

所述混光器用于将多种所述所需波长的光线进行混合，并向所述分光透镜出射混合后的光线；

所述分光透镜用于对所述混合后的光线进行分光，并出射。

在一种可能的实现方式中，所述超表面会聚元件包括被划分出的多个区域；

每个所述区域包含能够将相同的至少一种所述所需波长的光线会聚至所述混光器的多个超表面结构单元。

在一种可能的实现方式中，所有的所述区域具有相同的顶点。

在一种可能的实现方式中，能够发出相同目标波长的光线的多个光源设置在目标区域处；

所述目标波长为一种所述所需波长，所述目标区域为一个所述区域，且所述目标区域中的所述超表面结构单元能够将所述目标波长的光线会聚至所述混光器。

在一种可能的实现方式中，所述超表面会聚元件中，能够将不同的至少一种所述所需波长的光线会聚至所述混光器的多个超表面结构单元随机排列或交错排列。

在一种可能的实现方式中，所述超表面会聚元件包括透明基底层和设置在所述透明基底层上的多个纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述纳米结构周围设有透明的填充物，所述填充物的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值大于或等于0.5。

在一种可能的实现方式中，所述混光器位于所述分光透镜的一倍焦距以内或者一倍焦距处。

在一种可能的实现方式中，光谱模拟系统还包括阻透层，所述阻透层的透光率小于预设值；

所述阻透层设置在所述超表面会聚元件与分光透镜之间，且设置在所述混光器周围。

在一种可能的实现方式中，所述光源为量子点LED。

本实用新型实施例上述提供的方案中，可以不使用传统的透镜模组，而是利用超表面会聚元件实现对多种所需波长的光线的会聚，结构简单，成本低，且易集成化。并且，该光谱模拟系统的尺寸可以做到较小，整体更加微型化，能够适用于小型化的应用场景，可以与更多的应用场景兼容。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型实施例所提供的一种光谱模拟系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的光谱模拟系统的一种光路示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的光谱模拟系统的另一种光路示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的另一种光谱模拟系统的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的超表面会聚元件的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的超表面会聚元件中，超表面结构单元的一种分布示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的超表面会聚元件中，超表面结构单元的另一种分布示意图。

图标：

10-发光模组、101-光源、20-超表面会聚元件、201-透明基底层、202-纳米结构、30-混光器、40-分光透镜、50-阻透层。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种光谱模拟系统，参见图1所示，该系统包括：发光模组10、超表面会聚元件20、混光器30和分光透镜40。其中，发光模组10包括多种光源101，每种光源101用于发出一种所需波长的光线；超表面会聚元件20包括多个超表面结构单元，超表面结构单元用于将发光模组10发出的至少一种所需波长的至少部分光线会聚至混光器30，且任意一种所需波长的至少部分光线能够被至少部分超表面结构单元会聚至混光器30；混光器30用于将多种所需波长的光线进行混合，并向分光透镜40出射混合后的光线；分光透镜40用于对混合后的光线进行分光，并出射。

本实用新型实施例中，该光谱模拟系统能够将多种波长的光线进行混光，进而形成所需的光线，例如太阳光。其中，为了能够形成所需的光线，需要发光模组10能够发出多种波长的光线，本实施例将该波长称为“所需波长”；该发光模组10包括多个光源101，每个光源都能够发出某种波长的光线。具体地，发光模组10包括多种类别的光源101，每种光源101能够发出一种所需波长的光线，每种类别的光源101的数量也可以为多个。例如，发光模组10包括m种光源101，若所需波长为三种(即m＝3)，分别为620nm、535nm、465nm，则发光模组10中的一种光源101能够发出波长为620nm的光线，另一种光源101能够发出波长为535nm的光线，还有一种光源101能够发出波长为465nm的光线；其中，为了能够形成太阳光，一般需要至少10种所需波长的光线，即m≥10。本领域技术人员可以理解，“光源101能够发出一种所需波长的光线”指的是该光源101发出的光线包含该所需波长的光线，并不限定该光源101只发出该所需波长的光线，并且，在需要的情况下，某光源101能够发出一种所需波长的光线，还可以发出另一种所需波长的光线。其中，该光源101可以为量子点LED(发光二极管)。

超表面会聚元件20设置在发光模组10的出光侧，发光模组10发出的光线(包含多种所需波长的光线)能够射向该超表面会聚元件20，该超表面会聚元件20能够将发光模组10发出的光线会聚至混光器30。具体地，该超表面会聚元件20为基于超表面技术所制作的具有会聚功能的元件，超表面会聚元件20包含多个超表面结构单元，超表面结构单元是从超表面会聚元件20中人为划分出来的一部分结构，从该超表面会聚元件20中可以划分出多个超表面结构单元；但是，这并不意味着多个超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的超表面结构单元共用同一个基底，只是不同的超表面结构单元位于该基底的不同位置。

由于入射至超表面会聚元件20的光线包含多种所需波长，本实施例中的超表面结构单元能够将至少一种所需波长的至少部分光线会聚至混光器30；并且，为了能够将任意一种所需波长的光线均能够会聚至混光器30，与任意一种所需波长，均存在能够会聚该所需波长光线的超表面结构单元，即任意一种所需波长的至少部分光线能够被至少部分超表面结构单元会聚至混光器30。例如，若超表面结构单元只能够将一种所需波长的部分或全部光线会聚至混光器30，则该超表面会聚元件20中也包含m种超表面结构单元，每种超表面结构单元能够相应的所需波长的光线会聚至混光器30。

混光器30位于超表面会聚元件20的出光侧。如图1所示，超表面会聚元件20以透射的方式实现光线会聚，发光模组10和混光器30位于超表面会聚元件20的两侧；或者，超表面会聚元件20也可以以反射的方式实现光线会聚，此时，发光模组10和混光器30可以位于超表面会聚元件20的同一侧(即超表面会聚元件20的入光侧和出光侧为同一侧)。本实用新型实施例中，混光器30能够将所射向的光线进行混合，实现混光；该混光器30可以采用现有的能够实现混光功能的器件，本实施例对混光器30的结构和原理不做详述。

分光透镜40为能够起到分光作用的透镜，具体可以为一种超透镜，其设置在混光器30的出光侧；混光器30将混合后的光线出射至该分光透镜40，分光透镜40能够对混合后的光线进行分光，并出射分光后的光线。可选地，该分光透镜40能够约束混合后的光线的发散角，使混合后的光线在特定角度范围内出射；例如，分光透镜40能够减小混合后的光线的发散角使得分光透镜40所出射的光线能够聚拢。可选地，分光透镜40能够将混合后的光线调整为平行光，或者为具有较小发散角的光线。具体地，参见图2所示，混光器30可以位于分光透镜40的一倍焦距处，从而出射平行光；或者，参见图3所示，混光器30也可以位于分光透镜40的一倍焦距以内，以能够出射发散角较小的光线。

本实用新型实施例提供的一种光谱模拟系统，可以不使用传统的透镜模组，而是利用超表面会聚元件20实现对多种所需波长的光线的会聚，结构简单，成本低，且易集成化。并且，该光谱模拟系统的尺寸可以做到较小，整体更加微型化，能够适用于小型化的应用场景，可以与更多的应用场景兼容。

可选地，参见图4所示，该光谱模拟系统，还包括阻透层50，阻透层50的透光率小于预设值；阻透层50设置在超表面会聚元件20与分光透镜40之间，且设置在混光器30周围。

本实用新型实施例中，由于超表面会聚元件20可能只能将部分光线会聚至混光器30，其余光线不能入射至混光器30所在位置，这些光线若直接被分光透镜40出射，则可能影响分光透镜40出射光的组分。本实用新型实施例将混光器30设置在超表面会聚元件20与分光透镜40之间，且在混光器30周围设有具有低透光率(即透光率小于预设值)的阻透层50，使得照射到混光器30周围的光线能够射向该阻透层50，由于阻透层50的透光率较低，故该部分光线难以入射至分光透镜40，从而可以有效保证射向分光透镜40的光线主要甚至全部是混光器30混合后的光线。

其中，该预设值可以为2％、5％、10％等，只要保证阻透层50的透光率较低即可。该阻透层50可以为由吸光材料制成的部件，即入射至该阻透层50的光线主要被阻透层50吸收。或者，该阻透层50也可以为具有高反射率的部件，即入射至该阻透层50的光线主要被阻透层50反射，经该阻透层50反射后的光线可以在经过多次反射入射至混光器30，能够提高混光器30的入光量。

在上述实施例的基础上，参见图5所示，超表面会聚元件20包括透明基底层201和设置在透明基底层201上的多个纳米结构202。该超表面会聚元件20按照周期排布；排布周期可以为200～1500nm，周期中心或顶点有纳米结构202。每个周期对应一个超表面结构单元，其可以至少包括1个纳米结构202。

其中，该透明基底层201采用能透过所需波长所在波段光线的材料，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。该纳米结构202也采用能透过所需波长所在波段光线的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构202之间可是空气填充或者其他能透过所需波长所在波段光线的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构202的折射率之间的差值需大于或等于0.5。其中，透明基底层201、纳米结构202、纳米结构202之间的填充物均采用不同的材料。

本实用新型实施例中，为了能够提高超表面会聚元件20会聚多种所需波长的光线的效果，超表面结构单元需要能够同时对多种所需波长进行处理。对于单个所需波长，该超表面结构单元的相位需要满足：

其中，λ表示一种所需波长，f表示焦距(超表面会聚元件20与混光器30之间的距离)，(x,y)表示该超表面结构单元在超表面会聚元件20中的位置坐标。由于所需波长有多种，即存在λ₁、λ₂、…、λ_m共m种所需波长(一般情况下，m≥10)，在纳米数据库中直接寻找同时满足多种所需波长的相位的超表面结构单元是比较困难的。

因此，本实施例对超表面会聚元件20进行分区，以实现对多种所需波长的光线的会聚。该超表面会聚元件20包括被划分出的多个区域；每个区域包含能够将相同的至少一种所需波长的光线会聚至混光器30的多个超表面结构单元。

本实用新型实施例中，超表面结构单元只能对一种或少量的多种所需波长的光线实现会聚，为了能够会聚所有所需波长的光线，需要多种超表面结构单元；本实施例以此对超表面会聚元件20进行分区，将超表面会聚元件20分为多个区域，每个区域中设置同一种超表面结构单元，即对于一个区域，该区域内的多个超表面结构单元能够将相同的所需波长的光线会聚至混光器30。

参见图6所示，若发光模组10包含m种光源101，且每个超表面结构单元主要将一种所需波长的光线会聚至混光器30，则超表面结构单元的种类也可以分为m个，此时可以将超表面会聚元件20分为m个区域，每个区域设置一种超表面结构单元。如图6所示，超表面会聚元件20的第一个区域中的超表面结构单元(图6中以实心圆表示)能够将所需波长为λ₁的光线会聚至混光器30，第二个区域中的超表面结构单元(图6中以三角形表示)能够将所需波长为λ₂的光线会聚至混光器30，第三个区域中的超表面结构单元(图6中以空心圆表示)能够将所需波长为λ₃的光线会聚至混光器30……

可选地，为了能够使得不同的所需波长比较均匀地入射至混光器30，本实施例中，所有的区域具有相同的顶点。例如，若超表面会聚元件20为方形，其被分为四个区域，则四个区域可以按照田字格的形式分布；或者，如图6所示，若超表面会聚元件20为圆形，每个区域可以为扇形形状。例如，该顶点可以为超表面会聚元件20的中心。

可选地，若将一种所需波长作为目标波长，超表面会聚元件20中的某个区域中的超表面结构单元能够将该目标波长的光线会聚至混光器30，此时可以将该区域称为目标区域，且能够发出该目标波长的光线的多个光源101均设置在目标区域处。

具体地，多个光源101铺设为一层，层状的超表面会聚元件20位于多个光源101的出光侧；并且，光源101所发出光线的所需波长与超表面结构单元所能会聚的光线的所需波长具有一致性，即，若某个区域A中的超表面结构单元能够将所需波长为λ的光线会聚至混光器30，则可以将能够发出该所需波长为λ的光线的光源101也设置在该区域A处。若超表面会聚元件20的区域划分方式为图6所示，则可以将能够发出所需波长为λ₁的光线的光源101设置在第一个区域处，将，能够发出所需波长为λ₂的光线的光源101设置在第二个区域处，以此类推。本实用新型实施例以此方式设置光源101，可以使得光源101发出的所需波长的光线能够大部分被超表面结构单元会聚至混光器30，可以提高光源101的光线利用率。

或者，也可采用其他方式排列不同种类的超表面结构单元。可选地，在超表面会聚元件20中，能够将不同的至少一种所需波长的光线会聚至混光器30的多个超表面结构单元随机排列或交错排列。

本实用新型实施例中，超表面结构单元只能对一种或少量的多种所需波长的光线实现会聚，为了能够会聚所有所需波长的光线，需要多种超表面结构单元，不同种的超表面结构单元能够将不同的至少一种所需波长的光线会聚至混光器30。本实施例中，不同种的超表面结构单元可以随机排列或者交错排列，以能够将不同所需波长的光线均匀地会聚至混光器30。

例如，图7示出了随机排列不同种的超表面结构单元的一种示意图；图7中，不同的形状(三角形、方形、空心圆你、实心圆等)分别表示不同种的超表面结构单元。或者，不同种的超表面结构单元可以以同心圆的方式或者成列的方式等交错排列；例如，同心圆从内到外依次为能够会聚波长为λ₁、λ₂、…、λ_m的超表面结构单元，第m+1至第2m个同心圆依次也是能够会聚波长为λ₁、λ₂、…、λ_m的超表面结构单元。

本实用新型实施例提供的一种光谱模拟系统，可以不使用传统的透镜模组，而是利用超表面会聚元件20实现对多种所需波长的光线的会聚，结构简单，成本低，且易集成化。并且，该光谱模拟系统的尺寸可以做到较小，整体更加微型化，能够适用于小型化的应用场景，可以与更多的应用场景兼容。超表面会聚元件20中的超表面结构单元可以分区排列，也可以随机排列或者交错排列，可以在实现多种所需波长光线会聚的同时，有效保证光线的均匀性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种光谱模拟系统，其特征在于，包括：发光模组(10)、超表面会聚元件(20)、混光器(30)和分光透镜(40)；

所述发光模组(10)包括多种光源(101)，每种所述光源(101)用于发出一种所需波长的光线；

所述超表面会聚元件(20)包括多个超表面结构单元，所述超表面结构单元用于将所述发光模组(10)发出的至少一种所述所需波长的至少部分光线会聚至所述混光器(30)，且任意一种所述所需波长的至少部分光线能够被至少部分所述超表面结构单元会聚至所述混光器(30)；

所述混光器(30)用于将多种所述所需波长的光线进行混合，并向所述分光透镜(40)出射混合后的光线；

所述分光透镜(40)用于对所述混合后的光线进行分光，并出射。

2.根据权利要求1所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述超表面会聚元件(20)包括被划分出的多个区域；

每个所述区域包含能够将相同的至少一种所述所需波长的光线会聚至所述混光器(30)的多个超表面结构单元。

3.根据权利要求2所述的光谱模拟系统，其特征在于，所有的所述区域具有相同的顶点。

4.根据权利要求2所述的光谱模拟系统，其特征在于，能够发出相同目标波长的光线的多个光源(101)设置在目标区域处；

所述目标波长为一种所述所需波长，所述目标区域为一个所述区域，且所述目标区域中的所述超表面结构单元能够将所述目标波长的光线会聚至所述混光器(30)。

5.根据权利要求1所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述超表面会聚元件(20)中，能够将不同的至少一种所述所需波长的光线会聚至所述混光器(30)的多个超表面结构单元随机排列或交错排列。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述超表面会聚元件(20)包括透明基底层(201)和设置在所述透明基底层(201)上的多个纳米结构(202)。

7.根据权利要求6所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述纳米结构(202)周围设有透明的填充物，所述填充物的折射率与所述纳米结构(202)的折射率之间的差值大于或等于0.5。

8.根据权利要求1所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述混光器(30)位于所述分光透镜(40)的一倍焦距以内或者一倍焦距处。

9.根据权利要求1所述的光谱模拟系统，其特征在于，还包括阻透层(50)，所述阻透层(50)的透光率小于预设值；

所述阻透层(50)设置在所述超表面会聚元件(20)与分光透镜(40)之间，且设置在所述混光器(30)周围。

10.根据权利要求1所述的光谱模拟系统，其特征在于，所述光源(101)为量子点LED。