TW201339476A - 照射光量控制裝置及太陽光模擬器 - Google Patents

照射光量控制裝置及太陽光模擬器 Download PDF

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TW102106278A
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Nobuhiko Kubo
Kuniaki Takahashi
Sanekazu Igari
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Yamashita Denso Corp
Holonix Internat Co Ltd
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Abstract

一種照射光量控制裝置，其係具有：機械性減光濾過器，係將來自光源之光束一部分遮斷且減光；積分器元件，係設於該機械性減光濾過器之光出射側且作成光學上均勻分布的光；及，光擴散元件，係插入於機械性減光濾過器與積分器元件間且具有光擴散功能與光之高繞射光成分遮斷功能。

Description

照射光量控制裝置及太陽光模擬器 發明領域
本發明係有關於一種具有照射光之減光功能的照射光量控制裝置及太陽光模擬器。
發明背景
例如對於太陽電池螢幕等之利用太陽光能量的照射對象，眾所周知地，有一太陽光模擬器，其係用以照射人為產生之疑似太陽光且進行光電變換特性之測定，或是進行劣化特性試驗者。
在該種太陽光模擬器中，使照射光量變化(減光)最一般的方法係將在裝置內所使用之光源(多數情況為放電燈具)之驅動電力改變(減低)之方法。然而，如上所述當使驅動電力變化時，針對照射面內之均勻性雖大至上無變化，但由於光源自身之發光特性改變，因此照射光之光譜分布會有很大變化。
又亦存在有一方法，其係不改變驅動電力的情況下，在用以提高照射光均勻性之元件即積分器(積分器光學 系統)之正前方插入機械性減光濾過器。然而，此時由於朝積分器入射之光的入射角紊亂，因此會有照射光之面內均勻性變差之問題。特別是當機械性減光濾過器之減光率變大(例如透過率50%以下)時，會有在該值入射於積分器之光線，繞射之色差產生，通過積分器後之照射光光譜分布與面內均勻性會大幅地變化之不良情形。
專利文獻1揭示有一太陽光模擬器，其係將從光源部或積分器所照射之光，利用通過安裝於濾過器用框之金屬線或樹脂線構成之篩網濾過器、金屬等構成之遮光濾過器、色玻璃濾過器等構成之機械性減光濾過器，來使光均勻性提升。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2007-311085號公報
發明概要
然而，即使利用如專利文獻1所記載之照射光量的減光方法，照射光之光譜分布及面內均勻性仍有相當變化產生之問題發生，進而，由於機械性減光濾過器之構成特殊，因此成本增加。
因此，本發明之目的在於提供一種照射光之光譜分布及面內均勻性幾乎無變化之照射光量控制裝置及太陽 光模擬器。
本發明之其他目的在於提供一種製造成本低廉之照射光量控制裝置及太陽光模擬器。
根據本發明，可提供一種照射光量控制裝置，其係具有：機械性減光濾過器，係將來自光源之光束的一部分遮斷並減光；積分器元件，係設於該機械性減光濾過器之光出射側且作成光學上均勻分布的光；及，光擴散元件，係插入於前述機械性減光濾過器與前述積分器元件間，且具有光擴散功能與光之高繞射光成分遮斷功能。
根據本發明，進而提供一種太陽光模擬器，其係具有：光源；反射鏡，係將該光源之光反射；照射光量控制裝置，係包含有：機械性減光濾過器，係將來自光源之光束的一部分遮斷並減光；積分器元件，係設於該機械性減光濾過器之光出射側且作成光學上均勻分布的光；光擴散元件，係插入於前述機械性減光濾過器與前述積分器元件間，且具有光擴散功能與光之高繞射光成分遮斷功能；及，校準透鏡元件，係設於該照射光量控制裝置之前述積分器元件之光出射側且將入射光變換成平行光。
藉由使用機械性減光濾過器，可使入射於積分器元件之光量任意地減少(變化)。此時，由於藉由在積分器元件之正前方插入光擴散功能與具有光之高繞射光成分遮斷功能的光擴散元件，使機械性減光濾過器之通過光擴散並將高繞射光遮斷且使其入射於積分器元件，因此可防止色斑之產生、或貫通孔徑之畫面成像產生。例如，在機械性 減光濾過器為在遮光板設有複數貫通孔之衝孔式減光濾過器時，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因通過各貫通孔時之繞射而彼此干渉且色斑產生或是有貫通孔徑之畫面成像產生之情形便會消失。又，機械性減光濾過器為具有可調光圈之光圈式減光濾過器時，亦由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因使光圈徑變小時之繞射而色斑產生之情形便會消失。進而又機械性減光濾過器為遮光板設有單一貫通孔之環式減光濾過器時，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因環徑較小時之繞射而色斑產生之情形便會消失。
光擴散元件宜為具有光擴散功能與高繞射光遮斷功能之光學元件。
積分器元件宜為藉由使複數透鏡所生成之多數光源像位置偏移而重疊來作成均勻光分布之複眼透鏡式的積分器元件。
光擴散元件與積分器元件之距離宜為可變。藉由使該距離變化，入射於積分器元件之光量會微小變化，其結果，便可微調減光率。
機械性減光濾過器宜為遮光板設有複數貫通孔之衝孔式減光濾過器、或具有可調光圈之光圈式減光濾過器、或是遮光板設有單一貫通孔之環式減光濾過器。
根據本發明，藉由使用機械性減光濾過器，可使入射於積分器元件之光量任意地減少(變化)。此時，由於藉 由在積分器元件之正前方插入光擴散功能與具有光之高繞射光成分遮斷功能的光擴散元件，使機械性減光濾過器之通過光擴散並將高繞射光遮斷且使其入射於積分器元件，因此可防止色斑之產生、或貫通孔徑之畫面成像產生。例如，在機械性減光濾過器為在遮光板設有複數貫通孔之衝孔式減光濾過器時，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因通過各貫通孔時之繞射而彼此干渉且色斑產生，或是有貫通孔徑之畫面成像產生之情形便會消失。又，機械性減光濾過器為具有可調光圈之光圈式減光濾過器時，亦由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因使光圈徑變小時之繞射而色斑產生之情形便會消失。進而又機械性減光濾過器為遮光板設有單一貫通孔之環式減光濾過器時，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件，因此因環徑較小時之繞射而色斑產生之情形便會消失。
10‧‧‧光源
11‧‧‧光源反射鏡
12‧‧‧第1平面反射鏡
13、23、33‧‧‧機械性減光濾過器
13a、23a、23b、33a‧‧‧遮光板
13b、33b‧‧‧貫通孔
14‧‧‧光擴散元件
15‧‧‧積分器元件
16‧‧‧第2平面反射鏡
17‧‧‧校準透鏡
18‧‧‧照射面
18a‧‧‧有效區域
19‧‧‧測定位置
20‧‧‧照度變動測定用照度計
21‧‧‧波長變換濾過器
22‧‧‧快門
23c‧‧‧可調光圈
44‧‧‧低角度光擴散元件
d1、d2‧‧‧距離
f1、f2‧‧‧焦點距離
N1‧‧‧折射率
O1、O2‧‧‧球心
θ‧‧‧入射角
[圖1]係將本發明之太陽光模擬器一實施形態之構成概略地顯示之圖。
[圖2]係將圖1之太陽光模擬器之照射光量控制裝置部分之構成概略地顯示之圖。
[圖3]係圖2之一部分的擴大圖。
[圖4]係說明使光擴散元件移動且與積分器元件之距離變化之實驗裝置構成例的圖。
[圖5]係說明積分器元件之1個透鏡中一般性動作概念的圖。
[圖6]係說明在圖1之太陽光模擬器中將機械性減光濾過器插入時積分器元件之作用的圖。
[圖7]係圖1之太陽光模擬器之一例中，說明照度測定條件之圖。
[圖8]係表示未將機械性減光濾過器與光擴散元件插入之非減光時太陽光模擬器照射光光譜分布特性之測定結果的圖表。
[圖9]係表示只將機械性減光濾過器插入之減光時太陽光模擬器照射光光譜分布特性之測定結果的圖表。
[圖10]係表示將機械性減光濾過器與光擴散元件插入之減光時太陽光模擬器照射光光譜分布特性之測定結果的圖表。
[圖11]表示係太陽光模擬器照射光光譜分布特性之測定結果的圖表。
[圖12]係將本發明之太陽光模擬器其他實施形態之照射光量控制裝置部分構成概略地顯示的圖。
[圖13]係圖12之一部分的擴大圖。
[圖14]係將本發明之太陽光模擬器更多其他實施形態之照射光量控制裝置部分構成概略地顯示的圖。
[圖15]係圖14之一部分的擴大圖。
[圖16]係將太陽光模擬器一例之構成概略地顯示的圖。
用以實施發明之形態
圖1係將本發明之太陽光模擬器一實施形態之構 成概略地顯示，圖2係將該照射光量控制裝置部分之構成概略地顯示，圖3係將圖2之一部分擴大顯示。
在圖1中，以下分別顯示：10為例如由氙氣放電燈具等構成之光源，11為配置於光源10後方與周圍之例如具有楕圓或放射線狀之軸斷面的光源反射鏡，12為第1平面反射鏡，其係來自光源10之直接光與光源反射鏡11之反射光所入射，並將該光朝大約垂直方向反射者，例如鋁製品，13為來自第1平面反射鏡12之反射光所入射之機械性減光濾過器，14為機械性減光濾過器13之出射光所入射之光擴散元件，15為光擴散元件14之出射光所入射之積分器元件，16為第2平面反射鏡，其係積分器元件15之出射光所入射，並將該光朝大約垂直方向反射者，例如鋁製品，17為來自第2平面反射鏡16之反射光所入射，並將該光變換成平行光之校準透鏡，18為校準透鏡17之出射光所入射，例如太陽電池單元表面即照射面。
如圖2與圖3所示，機械性減光濾過器13、光擴散元件14及積分器元件15構成本發明之照射光量控制裝置。
機械性減光濾過器13為具有光量調整用之複數小開口(貫通孔13b)之遮光板，藉由空間上調整光透過之面積，來使出射之光的絶對量變化者。在本實施形態中，該機械性減光濾過器13由遮光板13a設有複數貫通孔13b之衝孔式減光濾過器來構成。更詳而言之，該衝孔式減光濾過器係使用縱横為90mm×70mm，厚度為1~2mm左右之不銹鋼鋼板或鋁板複數圓孔開口成千鳥格紋狀者。特別是，使用 盡可能分散光遮斷之部分(非開口部)者。在本實施形態中，具體而言，使用了在衝孔中心株式會社之60°千鳥中具有預期之減光率的衝孔金屬。該60°千鳥之衝孔金屬係排列成千鳥格紋狀而使連結鄰接之3個圓貫通孔之中心間的3條線所成之角度為60°者。
積分器元件15為複眼透鏡(蠅眼透鏡)式之積分器光學系統，在該技術領域為眾所周知之光學元件。該積分器光學系統構造成藉由使利用複數透鏡而生成之多數光源像位置偏移且重疊來作成均勻光分布。
光擴散元件14為具有原本之光擴散功能(亦有光衰減功能)與高繞射光遮斷功能之元件。即，利用該光擴散元件14所具備之光學性頻率帶域遮斷特性，具有來自機械性減光濾過器13之入射光的空間頻率分布當中，可將高繞射光成分遮斷，並只使低頻成分透過。又，不僅為光之單純的擴散，並構造成具有應用折射之圓形擴散特性，可用相當大之動態範圍來調整光之衰減且具有約96%之高透過率。
當機械性減光濾過器13之各個開口徑與積分器元件15各個透鏡徑比較而變得較小時，在機械性減光濾過器13開口之緣部附近繞射光現象就會產生，藉此來自光源之白色光會光譜性地分離而有光之分散產生。未設有光擴散元件14時，因該繞射而分離之光譜成分會朝積分器元件15之複眼透鏡，依照每一光譜用不同角度來入射。雖導波至複眼透鏡內之光會重覆全反射且導向出射方向，但當因 光波長之相異，朝複眼透鏡入射之角度彼此不同時，離開複眼透鏡時之角度變成不同，無法作出平行光而有色差產生。如上所述因色差而變成非平行之光從積分器元件15出射，即使該光在校準透鏡17中也無法補正為平行光，結果而言，便無法照射與太陽光近似之光譜。
相對於此，如本實施形態，在機械性減光濾過器13與積分器元件15之間，設置有不只將光單純地擴散，且作為高繞射光遮斷濾過器而具有功能之光擴散元件14，藉此可將在機械性減光濾過器13開口之緣部附近產生之高繞射光而生起之色差加以除去。即，藉由使光擴散元件14具有空間頻率濾過器之功能，來除去高繞射光，而可不引起光譜變化，並安定地保持均勻度及平行度。
而，本實施形態之光擴散元件14的尺寸雖根據太陽光模擬器之尺寸與積分器元件15之尺寸而有所不同，但例如縱横約60mm×約60mm，厚度約3mm左右。而，該光擴散元件14為石英板低角度光擴散元件，例如，為美國Luminit公司之High Temperature Quartz Substrate SOLGEL Type之Light Shaping Diffuser而可取得。
該光擴散元件14具有作為使高繞射光遮斷或是減少之空間頻率濾過器的功能，進而，由於具有藉由使光折射等擴散之功能，因此該出射光不伴隨有繞射現象，不會有光譜分散產生。又，期盼光擴散元件14可將光(同調光與非同調光)用半寬度約10~30°之範圍來擴散，更期盼可用10~20°之範圍來擴散。當約窄於半寬度時，就無法將高繞 射光所產生之色差均勻化，可能會在到最低程度為止欲使光減光時，無法解消因高繞射光而產生之色差。又，期盼該光擴散元件14可形成具有大致理想性高斯分布之出射光。進而，期盼光擴散元件14為隨機地配置有無數凹凸圖形之構造體，藉由具有隨機之特性，亦具有高繞射光彼此打消之效果。又，期盼該光擴散元件14可在熱度強到500℃左右的溫度下動作。
光擴散元件14可利用未圖示之軸方向移動機構朝光軸方向移動，藉此可將光擴散元件14與積分器元件15之間的距離d1可變控制。此時，機械性減光濾過器13與積分器元件15之位置為固定。藉由使距離d1變化(此亦會使機械性減光濾過器13與光擴散元件14之距離d2變化)，入射於積分器元件15之光量會微小變化，其結果，便可微調減光率。
實際上，使光擴散元件14與積分器元件15間的距離d1變化，來測定照射面18之照度。圖4係說明該實驗所使用之裝置構成例。如同圖所示，光擴散元件14之光源側並未配置機械性減光濾過器，而設有波長變換濾過器21。由於該實驗為確認對於距離d1之減光率的關係者，因此省略機械性減光濾過器。又，積分器元件15與光擴散元件14之間配置有快門22。
首先，當使對於積分器元件15之光擴散元件14之距離d1為d1=29mm，且測定減光率時，就會為35%。當將光擴散元件14移動並使對於積分器元件15之光擴散元件14' 之距離d1為d1=40mm，且測定減光率時，就會為40%。
從此得知，使光擴散元件14愈接近積分器元件15則減光率就愈小，從積分器元件15愈遠離則減光率就愈大。即，當距離d1變化約10mm時，減光率就會變化5%。
校準透鏡17係用以將入射光校準之該技術領域中眾所周知的光學元件。
接著，說明本實施形態之太陽光模擬器的動作。
從光源10所放射之光會直接地或是利用光源反射鏡11來反射，進而用第1平面反射鏡12反射，且入射於照射光量控制裝置之機械性減光濾過器13。入射於機械性減光濾過器13之光藉由透過複數小貫通孔13b，其之一部分會被遮斷而減光，並入射於光擴散元件14。機械性減光濾過器13之出射光利用該光擴散元件14而擴散並橫跨該全光譜域來均勻地進行減光。進而，即使在機械性減光濾過器13之貫通孔13b的緣部附近有繞射光現象產生，由於在該光擴散元件14中進行高繞射光之遮斷，因此在該出射光不會有色差產生。光擴散元件14之出射光入射於積分器元件15，並藉由利用複眼透鏡使多數光源像位置偏移且重疊，來形成均勻光分布。如此一來，所形成之面內均勻且均勻光譜分布的光利用第2平面反射鏡16來反射後，因校準透鏡17變換成完全之平行光之後，會照射於太陽電池單元表面即照射面18。
圖5係將複眼透鏡即積分器元件15之1個透鏡的一般性動作概念加以說明。
在均勻照射光學系統中最大之目的係為了將光源10之光束最大限度地取出並將光源10之像(例如燈具電極之像)除去，通常使用具有楕圓或是放射線狀之軸斷面的光源反射鏡11與積分器元件15。不使用積分器元件15的情形下，將只用光源反射鏡11所集光之光束在校準透鏡17作為平行光束照射時，則在照射面會出現燈具電極之像。因此，為了除去上述像，必須使用積分器元件15。為了有效地使用上述積分器元件15，進行積分器元件15之設計而相對於來自光源反射鏡11之入射角θIN，使出射角θOUT為同角度，藉此不只可抑制積分器元件15內部之光量損失，且因使燈具電極之像於積分器元件15之內部成像，所以在出射側像不會成像。
在圖5中，當將O1當作積分器元件15之1個透鏡入射側球面15a的球心，將O2當作出射側球面15b之球心時，入射側之焦點距離f1就會為f1=O1×2，出射側之焦點距離f2會為O2×2。由透鏡之公式來看，1/a+1/b=1/f，出射側之物距離為a<f(比焦點距離短)時，由於出射側之像距離變成b(-)，出射光無法在出射面15b集光，擴散且出射，變成絕對無法集光之情形。
圖6係說明在本實施形態之太陽光模擬器中將機械性減光濾過器13插入正前方(光源側)時之積分器元件15的作用。
將在上述條件下所設計之積分器元件15的光源10側減光作為目的，配置衝孔式減光濾過器之機械性減光 濾過器13時，在積分器元件15正前方，機械性減光濾過器13之貫通孔13b的像會作為2次光源而產生。
此時，如圖6所示，從折射之法則得知，P點之入射角θIN會變成θIN=θ1+α，由於由P點從空氣朝折射率N1之媒體內入射，因此該折射角會變成θ1-γ。另一方面，出射面15b之入射角用θ2+γ表示，來自出射面15b之折射角度用θ2+β表示，。此時，從機械性減光濾過器13之貫通孔13b的像朝積分器元件15入射之角度會變成多種多樣，但入射角較大時，朝P點入射之光會因折射率N1之媒體而折射(空氣到石英)但無法在光軸上成像，而在出射面15b上成像且再度折射(石英到空氣)，變成在出射面15b外成像。該現象由光學式1/a+1/b=1/f來看，在出射面15b中考慮到物距離為∞或0時則1/b=1/f會成立，因此出射面側之像距離會變成(+)，變成在出射面15b之右側成像。
為了確認該現象，進行了以下之實驗。
(實驗裝置與測定器)
太陽光模擬器：山下電裝株式會社製之太陽光模擬器(YSS-1800AA)，規格AAA
基準太陽光單元：400nm~1100nm用之矽單元，校準值=142.6mA
數位萬用電表：安捷倫科技(agilent technology)株式會社製(34401A)，使用於基準太陽光單元之短路電流的測定
照度光斑測定用照度計：山下電裝株式會社製熱電堆(φ6mm)式照度計(MIR-101Q)，JIS規格之入射角±15°以內
照度變動測定用照度計：USHIO電機株式會社製照度計(UIT-101)中心頻率436nm
(減光率)
在基準太陽光單元中設定成規格1000W/m2(使其為=1SUN)(142.116mA)之照度。設定衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13時所減光的照度為106W/m2(約0.1SUN)，在衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13的後面配置石英光擴散元件之光擴散元件14時所減光之照度則為70.2W/m2(約0.07SUN)。
(實驗方法)
如圖7所示，在離太陽光模擬器之罩下方400mm的照射面18，設定180mm×180mm(A□)之有效區域18a。針對該有效區域18a之JIS規格17處之測定位置19(位置1~17)，利用不遮蔽入射角±15°內之光的上述照度色斑測定用照度計來依序地進行照度測定(照度色斑測定)。同時，利用上述照度變動測定用照度計20，測定有效區域18a之1處的照度，來測定照度色斑測定中光的變動。
(測定結果)
未插入機械性減光濾過器13與光擴散元件14之非減光時的測定結果顯示於表1。將針對測定位置1~17之照度色斑測定用照度計之測定結果當作測定照度值Ei(i=1~17)來顯示，將該各測定時之照度變動測定用照度計20之測定結果當作變動照度值ei(i=1~17)來顯示。將在測定位置1關於基準之變動照度值e1而補償之測定照度值Ei當作相對照度值 Ei '(i=1~17)來顯示。即，相對照度值Ei '係用Ei '=(e1/ei)×Ei來算出。
如此一來，從所求得之17處之相對照度值Ei '將面內均勻性Euni，從Euni=(Ei 'max-Ei 'min)/(Ei 'max+Ei 'min)×100來算出。但，Ei 'max為相對照度值Ei '之最大值，Ei 'min為相對照度值Ei '之最小值。所獲得之面內均勻性Euni為Euni=1.46(%)。
接著，在插入衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13之減光時進行相同測定。測定結果顯示於表2。
如此一來，從所求得之17處之相對照度值Ei '，將面內均勻性Euni與前述情況相同地算出。所獲得之面內均勻性Euni為Euni=4.93(%)。
接著，在該衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13的後面插入石英光擴散元件之光擴散元件14的減光時，進行相同的測定。測定結果顯示於表3。
如此一來從求得之17處的相對照度值Ei '，將面內均勻性Euni與前述情況相同地算出。所獲得之面內均勻性Euni為Euni=1.86(%)。
由以上實驗結果來看，藉由將衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13插入積分器元件15正前方(光源側)，面內均勻性Euni會從1.46(%)惡化到4.93(%)，但此為積分器元件15前方之衝孔式減光濾過器的像(2次光源像)產生，如前述之理論，可證明在積分器元件15之出射側像成像之情形。藉由在機械性減光濾過器13之後面插入石英光擴散元件之光擴散元件14，面內均勻性Euni會從4.93(%)提升到1.86(%)，此為證實了已除去積分器元件15出射側之像 的情形。
如前所述，根據本實施形態，均勻光譜分布的光可照射於照射面18，但為了確認該點，進行了以下之實驗。
(實驗裝置與測定器)
太陽光模擬器：山下電裝株式會社製之太陽光模擬器(YSS-1800AA)，規格AAA
基準太陽光單元：400nm~1100nm用之矽單元，校準值=142.6mA
數位萬用電表：安捷倫科技(agilent technology)株式會社製(34401A)，使用於基準太陽光單元之短路電流之測定
多目的分光放射計：株式會社optoresearch製(MSR-7000)
照度變動測定用照度計：USHIO電機株式會社製照度計(UIT-101)中心頻率436nm
(實驗方法)
如圖7所示，在離太陽光模擬器之透鏡罩下方400mm之照射面18，設定180mm×180mm(A□)之有效區域18a。在基準太陽光單元設定成規格1000W/m2(使其為=1SUN)(142.6mA)之照度，針對有效區域18a利用上述多目的分光放射計來測定光譜分布。實際上，針對有效區域18a之JIS規格17處的測定位置19(位置1~17)中一部分的位置(位置1、5及16)個別測定光譜分布，求得該強度特性與光譜符合度。而，針對減光份量，將用照度計測定之減光倍率乘算上測定值來補正。
(測定結果)
未插入機械性減光濾過器13與光擴散元件14之非減光時的測定結果顯示於圖8。在非減光時(1SUN)，不論是位置1、5及16任一者，都獲得大致相同的光譜強度分布。另一方面，插入衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13之減光時的測定結果顯示於圖9。在該減光時，相對於非減光(1SUN)之位置1的光譜強度分布，在位置5及16，變成有相當變化之光譜強度分布。相對於此，插入衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13與石英光擴散元件之光擴散元件14之減光時的測定結果顯示於圖10。即使為減光時，藉由插入光擴散元件14，位置5及16之光譜強度分布會與非減光(1SUN)之位置1的光譜強度分布變成近似之特性，藉由在機械性減光濾過器13的後面插入石英光擴散元件之光擴散元件14，可大幅改善光譜強度分布，且在各位置彼此幾乎均無變化。
又，如圖11所示，即使針對光譜符合度，亦可獲得同樣之結果。而，在圖11中，横軸表示波長(nm)，縱軸表示光譜符合度。根據JIS規格，規定使光譜符合度之上限值為1.25，下限值為0.75。未插入機械性減光濾過器13與光擴散元件14之非減光時(1SUN)，即使在位置1、5及16任一者，光譜符合度亦為良好。又得知插入衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13之減光時，在位置5及16，光譜符合度會惡化，光譜分布會變化。又得知插入衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13與石英光擴散元件之光擴散元件 14時，光譜符合度會大幅地提升，與位置1之光譜強度分布(1SUN)之光譜特性近似。
如上所述，關於面內之均勻度之減光之面內分布的惡化可藉由使用石英光擴散元件之光擴散元件14來改善之情形，可利用實驗來證實。另一方面，即使針對光譜強度分布，藉由使用石英光擴散元件之光擴散元件14，光譜符合度亦會大幅地提升。即，如本實施形態，藉由使用光擴散元件14，改善面內分布及改善部分的色斑之情形，可利用實驗來證實。
如以上說明，根據本實施形態，藉由使用衝孔式減光濾過器之機械性減光濾過器13，可使入射於積分器元件15之光量減少。此時，由於藉由在積分器元件15之正前方插入光擴散元件14，使機械性減光濾過器13之通過光擴散並將高繞射光遮斷且入射於積分器元件15，因此可防止色斑之產生、或機械性減光濾過器13貫通孔徑之畫面成像產生。如上所述，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件15，因此因通過各貫通孔時之繞射而彼此干渉且色斑產生或貫通孔徑之畫面成像產生的情形就會消失。其結果，面內均勻且無色差之平行光就會照射於例如太陽電池單元表面即照射面18。
圖12係將本發明之太陽光模擬器之其他實施形態之照射光量控制裝置部分的構成概略地顯示，圖13係將圖12之一部分擴大顯示。
將本實施形態太陽光模擬器之照射光量控制裝 置之機械性減光濾過器除去的構成與圖1所示之實施形態的情況完全相同。因此，在圖12與圖13中，針對與圖1之實施形態之情況相同之構成要素，使用相同參考編號，省略其說明。
如圖12與圖13所示，來自第1平面反射鏡12之反射光入射於機械性減光濾過器23，機械性減光濾過器23之出射光入射於光擴散元件14。光擴散元件14之出射光入射於積分器元件15，積分器元件15之出射光入射於第2平面反射鏡16並反射。機械性減光濾過器23、光擴散元件14及積分器元件15構成本發明之照射光量控制裝置。
機械性減光濾過器23為具有光量調整用之單一可調光圈23c的遮光板，為空間上將光所透過之面積利用該光圈來調整，藉此使出射之光的絶對量變化者。該機械性減光濾過器23在本實施形態中，係由設有利用可動之遮光板23a與23b來調整其開口徑(光圈徑)之可調光圈23c的光圈式減光濾過器來構成。更詳而言之，該光圈式減光濾過器係構造成將縱横為90mm×70mm，厚度為1~2mm左右之不銹鋼鋼板或鋁板加以2分割，並將各字設有V字狀缺口之遮光板23a與23b的缺口分開距離加以調整，藉此可將可調光圈23c之開口徑調整。缺口之形狀不限於V字狀，異可為半圓形狀或是其他形狀。
當機械性減光濾過器23之可調光圈23c開口徑與積分器元件15各個透鏡徑比較而變得較小時，在機械性減光濾過器23之可調光圈23c的緣部附近就有繞射光現象產 生，藉此來自光源之白色光會光譜性地分離且有光之分散產生。未設有光擴散元件14時，因該繞射而分離之光譜成分在積分器元件15之複眼透鏡會依照每一光譜用不同角度來入射。導波至複眼透鏡內之光會重覆全反射且導向出射方向，但當因光之波長相異而入射於複眼透鏡之角度彼此不同時，離開複眼透鏡時之角度會變得不同，無法作出平行光的情形下，會有色差產生。如上所述因色差而變成非平行之光從積分器元件15出射，該光即使在校準透鏡17中亦無法補正成平行光，以結果而言，便無法照射與太陽光近似之光譜。
相對於此，如本實施形態，機械性減光濾過器23與積分器元件15之間，設置不單是將光單純擴散且作為高繞射光遮斷濾過器而具有功能的光擴散元件14，藉此可將因在機械性減光濾過器23單一之可調光圈23c緣部附近產生之高繞射光而生起之色差加以除去。即，藉由使光擴散元件14持有空間頻率濾過器之功能來除去高繞射光，可不引起光譜變化發生，並安定地保持均勻度及平行度。
接著，說明本實施形態之太陽光模擬器的動作。
從光源10放射之光直接地或是由光源反射鏡11反射，進而用第1平面反射鏡12來反射，入射於照射光量控制裝置之機械性減光濾過器23。入射於機械性減光濾過器23之光可藉由透過單一可調光圈23c來將其一部分遮斷且減光，入射於光擴散元件14。機械性減光濾過器23之出射光利用該光擴散元件14來擴散且橫跨其全光譜域，進行均 勻地減光。進而，即使在機械性減光濾過器23之可調光圈23c緣部附近有繞射光現象產生，由於該光擴散元件14中進行高繞射光之遮斷，因此該出射光沒有色差產生。光擴散元件14之出射光入射於積分器元件15，並利用該複眼透鏡使多數光源像位置偏移且重疊，藉此形成均勻光分布。如此一來所形成之面內均勻且均勻光譜分布的光在利用第2平面反射鏡16反射後，在校準透鏡17中變換成完全之平行光之後，照射於太陽電池單元表面即照射面18。
如以上說明，根據本實施形態，藉由使用光圈式減光濾過器之機械性減光濾過器23，可使入射於積分器元件15之光量減少。此時，由於藉由在積分器元件15之正前方插入光擴散元件14，使機械性減光濾過器23之通過光擴散並將高繞射光遮斷且入射於積分器元件15，因此可防止色斑之產生、或機械性減光濾過器23之光圈開口徑的畫面成像產生。如上所述，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件15，因此因通過可調光圈23c時之繞射，彼此干渉且色斑產生，或是有可調光圈23c之畫面成像產生之情形會消失。其結果，面內均勻且無色差之平行光會照射於例如太陽電池單元表面即照射面18。
圖14係將本發明之太陽光模擬器更多其他實施形態之照射光量控制裝置部分的構成概略地顯示，圖15係將圖14之一部分擴大顯示。
將本實施形態太陽光模擬器之照射光量控制裝置之機械性減光濾過器除去的構成與圖1所示之實施形態 的情況完全相同。因此，在圖14與圖15中，針對與圖1之實施形態的情況相同構成要素，使用相同參考編號，並省略其說明。
如圖14與圖15所示，來自第1平面反射鏡12之反射光入射於機械性減光濾過器33，機械性減光濾過器33之出射光入射於光擴散元件14。光擴散元件14之出射光入射於積分器元件15，積分器元件15之出射光入射於第2平面反射鏡16且反射。機械性減光濾過器33、光擴散元件14及積分器元件15構成本發明之照射光量控制裝置。
機械性減光濾過器33為具有光量調整用之單一貫通孔33b的遮光板33a，空間上將光所透過之面積利用該貫通孔33b之開口徑來設定，藉此來設定出射之光的絶對量者。該機械性減光濾過器33在本實施形態中，由設有固定貫通孔33b之環式減光濾過器來構成。更詳而言之，該環式減光濾過器係構造成在縱横為90mm×70mm，厚度為1~2mm左右之不銹鋼鋼板或鋁板之遮光板33a中央部設置單一貫通孔33b。貫通孔33b之形狀不限於圓狀，亦可為其他形狀。
當機械性減光濾過器33之貫通孔33b開口徑與積分器元件15之各個透鏡徑比較而設定得較小時，在機械性減光濾過器33之貫通孔33b緣部附近就會有繞射光現象產生，藉此來自光源之白色光會光譜性地分離且有光之分散產生。未設有該光擴散元件14時，因該繞射而分離之光譜成分會在積分器元件15之複眼透鏡依照每一光譜用不同角度來入射。導波至複眼透鏡內之光會重覆全反射且導向出 射方向，但當因光波長之相異，入射於複眼透鏡之角度彼此不同時，離開複眼透鏡時之角度會變得不同，無法作出平行光的情形下，有色差會產生。如上所述，因色差而成為非平行之光從積分器元件15出射，該光即使在校準透鏡17中亦無法補正成平行光，以結果而言，變得無法照射與太陽光近似之光譜。
相對於此，如本實施形態，機械性減光濾過器33與積分器元件15之間，設置不單是將光單純擴散且作為高繞射光遮斷濾過器而具有功能的光擴散元件14，藉此可將因在機械性減光濾過器33之單一貫通孔33b緣部附近產生之高繞射光而生起之色差加以除去。即，藉由使光擴散元件14持有空間頻率濾過器之功能來除去高繞射光，可不引起光譜變化發生，並安定地保持均勻度及平行度。
由於本實施形態之機械性減光濾過器33與光擴散元件14之作用與圖12之實施形態的情況相同，因此省略說明。
接著，說明本實施形態之太陽光模擬器的動作。
從光源10放射之光直接地或利用光源反射鏡11來反射，進而用第1平面反射鏡12來反射，入射於照射光量控制裝置之機械性減光濾過器33。入射於機械性減光濾過器33之光藉由透過單一貫通孔33b，將其之一部分遮斷且減光，入射於光擴散元件14。機械性減光濾過器33之出射光利用該光擴散元件14來擴散且橫跨其之全光譜域，進行均勻地減光。進而，即使機械性減光濾過器33之貫通孔33b緣 部附近有繞射光現象產生，由於該光擴散元件14中進行高繞射光之遮斷，因此該出射光不會有色差產生。光擴散元件14之出射光入射於積分器元件15，利用該複眼透鏡使多數光源像位置偏移且重疊，藉此形成均勻光分布。如此一來，所形成之面內均勻且均勻光譜分布的光利用第2平面反射鏡16來反射後，在校準透鏡17中變換成完全之平行光之後，照射於太陽電池單元表面即照射面18。
如以上說明，根據本實施形態，藉由使用環式減光濾過器之機械性減光濾過器33，可使入射於積分器元件15之光量減少(最大為減光率20%程度)。此時，由於藉由在積分器元件15之正前方插入光擴散元件14，使機械性減光濾過器33之通過光擴散並將高繞射光遮斷且使其入射於積分器元件15，因此可防止色斑之產生、或機械性減光濾過器33之貫通孔33b開口徑之畫面成像產生。如上所述，由於不含高繞射光之擴散光進入積分器元件15，因此因通過貫通孔33b時之繞射而彼此干渉且色斑產生或有貫通孔33b之畫面成像產生之情形便會消失。其結果，面內均勻且無色差之平行光會照射例如太陽電池單元表面即照射面18。
圖16係將太陽光模擬器之一例的構成概略地顯示的圖。
在同圖中，以下分別顯示：10為例如由氙氣放電燈具等構成之光源，11為配置於光源10之後方及周圍之例如具有楕圓或放射線狀之軸斷面的光源反射鏡，12為第1平面反射鏡，其係來自光源10之直接光及光源反射鏡11之反 射光所入射，並將該光朝大致垂直方向反射者，例如鋁製品，15為來自第1平面反射鏡12之反射光所入射之積分器元件，16為第2平面反射鏡，其係積分器元件15之出射光所入射，並將該光朝大致垂直方向反射者，例如鋁製品，44為來自第2平面反射鏡16之反射光所入射之低角度光擴散元件，17為將低角度光擴散元件44之出射光變換成平行光之校準透鏡，18為校準透鏡17之出射光所入射之例如太陽電池單元表面即照射面。
如同圖23所示，在不用考慮最後照射於照射面18之光平行度的良好狀況下，在積分器元件15與校準透鏡17之間配置低角度光擴散元件44，藉由改變配置距離便可將減光率改變，進而，藉由設定低角度光擴散元件44之擴散率，便可調整減光率。
以上所述之實施形態全都是例示地顯示本發明者而非限定地顯示者，本發明可用其他各種變形態樣及變更態樣來實施。因此，本發明之範圍為只由專利請求之範圍及其均等範圍所規定者。
產業上之可利用性
本發明不只是產生用以進行太陽電池螢幕之光電變換特性測定及劣化特性試驗的疑似太陽光，亦可利用於其他照射光量控制裝置等之領域，特別是要求照射光之光譜分布及面內均勻性不會變化，製造成本低廉者。
10‧‧‧光源
11‧‧‧光源反射鏡
12‧‧‧第1平面反射鏡
13‧‧‧機械性減光濾過器
14‧‧‧光擴散元件
15‧‧‧積分器元件
16‧‧‧第2平面反射鏡
17‧‧‧校準透鏡
18‧‧‧照射面

Claims (12)

  1. 一種照射光量控制裝置，其特徵在於具有：機械性減光濾過器，係將來自光源之光束的一部分遮斷並減光；積分器元件，係設於該機械性減光濾過器之光出射側且作成光學上均勻分布的光；及光擴散元件，係插入於前述機械性減光濾過器與前述積分器元件間，且具有光擴散功能與光之高繞射光成分遮斷功能。
  2. 如申請專利範圍第1項之照射光量控制裝置，其中前述積分器元件為複眼透鏡式積分器元件，其係使由複數透鏡所生成之多數光源像位置偏移而重疊，藉此作成均勻之光分布。
  3. 如申請專利範圍第1項之照射光量控制裝置，其中前述機械性減光濾過器為遮光板設有複數貫通孔之衝孔式減光濾過器。
  4. 如申請專利範圍第1項之照射光量控制裝置，其中前述機械性減光濾過器為具有可調光圈之光圈式減光濾過器。
  5. 如申請專利範圍第1項之照射光量控制裝置，其中前述機械性減光濾過器為遮光板設有單一貫通孔之環式減光濾過器。
  6. 如申請專利範圍第1項之照射光量控制裝置，其中前述 光擴散元件與前述積分器元件之距離為可變。
  7. 一種太陽光模擬器，其特徵在於具有：光源；反射鏡，係將該光源之光反射；照射光量控制裝置，係包含有：機械性減光濾過器，係將來自光源之光束的一部分遮斷並減光；積分器元件，係設於該機械性減光濾過器之光出射側且作成光學上均勻分布的光；光擴散元件，係插入於前述機械性減光濾過器與前述積分器元件間，且具有光擴散功能與光之高繞射光成分遮斷功能；及校準透鏡元件，係設於該照射光量控制裝置之前述積分器元件之光出射側而將入射光變換成平行光。
  8. 如申請專利範圍第7項之太陽光模擬器，其中前述積分器元件為複眼透鏡式積分器元件，其係使複數透鏡所生成之多數光源像位置偏移而重疊，藉此作成均勻之光分布。
  9. 如申請專利範圍第7項之太陽光模擬器，其中前述機械性減光濾過器為遮光板設有複數貫通孔之衝孔式減光濾過器。
  10. 如申請專利範圍第7項之太陽光模擬器，其中前述機械性減光濾過器為具有可調光圈之光圈式減光濾過器。
  11. 如申請專利範圍第7項之太陽光模擬器，其中前述機械性減光濾過器為遮光板設有單一貫通孔之環式減光濾過器。
  12. 如申請專利範圍第7項之太陽光模擬器，其中前述光擴散元件與前述積分器元件之距離為可變。
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