新型LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及仿真

張新強，張慶茂，郭 亮，張志清，許毅欽

(1.華南師范大學(xué) 信息光電子科技學(xué)院 廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州510006；2.廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州510651)

引言

太陽模擬器利用人工光源模擬太陽光輻照，能提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的光輻照，在航空航天、氣象、民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。目前，國內(nèi)外使用的大部分太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)仍是針對氙燈光源設(shè)計的，雖然氙燈的光譜線最接近自然太陽光照，但采用氙燈光源，仍具有壽命短、產(chǎn)熱高、體積大、能量利用率低等缺陷[2]。

發(fā)光二極管(LED)是繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。相比傳統(tǒng)光源，具有壽命長、發(fā)光效率高、光強穩(wěn)定、可精確控制、近似點光源等優(yōu)勢[3]。因此，研制以LED為光源的太陽模擬器具有低碳環(huán)保、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，并逐漸成為眾多科研單位或生產(chǎn)企業(yè)競相研究的熱點[4]。國內(nèi)外有一些基于LED光源的太陽模擬器的研究，Tsuno等人[5]研究的太陽模擬器有效輻照面為100 mm×100 mm，其光源尺寸為335 mm×335 mm，包含2 304顆LED。Kohraku等人[6]根據(jù)晶硅電池對不同波長的光譜響應(yīng)和LED的電流-電壓(I-V)特性曲線等參數(shù)設(shè)計了一款LED太陽模擬器。周衛(wèi)華等人[7-8]通過不同峰值波長的LED組合對太陽光光譜匹配進(jìn)行了相關(guān)研究。以上研究都只對模擬器的部分性能進(jìn)行了研究，孫健剛等人[9]研究的LED太陽模擬器在直徑為220 mm的有效輻照面上輻照度不均勻度為3.8 %，準(zhǔn)直角為3.2°。本設(shè)計采用8種不同波長的LED芯片，利用小角度準(zhǔn)直透鏡整形光束、拋物面鏡聚光、光學(xué)積分器勻光等措施，提出了一種基于LED陣列光源的新型太陽模擬器，以提高LED太陽模擬器的準(zhǔn)直性、輻照均勻性等性能指標(biāo)。

1 LED太陽模擬器的組成及工作原理

本設(shè)計實現(xiàn)的LED太陽模擬器采用的是多燈具反射式同軸準(zhǔn)直系統(tǒng)[10]，如圖1所示，該系統(tǒng)主要由各種峰值波長的大功率LED、小角度準(zhǔn)直透鏡、拋物面鏡、混光棒等組合而成。LED太陽模擬器用不同峰值波長的LED組合作為光源，LED發(fā)出的朗伯光經(jīng)透鏡后形成平行光束，通過拋物面鏡會聚后到達(dá)混光棒內(nèi)，在混光棒內(nèi)充分混光后，形成均勻的輻射光束再利用拋物面鏡平行出射，在一定距離的測試面上會形成一個輻照均勻的輻照面，迎著光線的方向看去，就像來自“無窮遠(yuǎn)”處的太陽，從而模擬了太陽光輻照[11]。

圖1 新型LED太陽模擬器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Optical structure diagram of a new type of LED solar simulator

2 LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光源設(shè)計

2.1.1 準(zhǔn)直光設(shè)計

LED發(fā)出的光是近似朗伯分布的，需要進(jìn)行二次配光設(shè)計，改變光線輸出方向，實現(xiàn)光路準(zhǔn)直。采用最新研發(fā)的小角度準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行光線準(zhǔn)直，其二維輪廓如圖2所示。透鏡基于面光源和邊緣光線理論設(shè)計，其發(fā)散角的邊緣光線來源于光源的端點。

根據(jù)設(shè)計建立模型進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示。

圖2 小角度透鏡的二維輪廓Fig.2 Two-dimensional profile of small angle lens

圖3 透鏡光線追跡圖Fig.3 Lens ray tracing

將光源設(shè)定為尺寸1 mm×1 mm的朗伯型光源，透鏡材料設(shè)置為折射率1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。通過2×106條光線追跡得到的配光曲線如圖4所示，其發(fā)散角(半角)降到了2°，提高光源的準(zhǔn)直性可將光線集中地入射到混光棒的口徑內(nèi)，增大光能的利用率。

圖4 準(zhǔn)直后配光曲線Fig.4 Light distribution curve after collimation

2.1.2 光譜的設(shè)計

為解決光譜匹配問題，本設(shè)計選定的光源由單個LED芯片組成。該光源根據(jù)AM1.5太陽光譜曲線，在300 nm～400 nm、400 nm～500 nm、500 nm～600 nm、600 nm～700 nm、700 nm～800 nm、800 nm～900 nm、900 nm～1 000 nm、1 000 nm～1 100 nm各波段內(nèi)分別選擇一種LED芯片，陣列排布在基板上，通過調(diào)整不同波段內(nèi)對應(yīng)LED芯片的光強值，實現(xiàn)近太陽光光譜。

2.2 聚光鏡的設(shè)計

利用聚光鏡將準(zhǔn)直光匯聚到混光棒的口徑內(nèi)，聚光鏡采用拋物面鏡[12]，拋物面是其拋物線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成。平行于對稱軸的任何一條光線經(jīng)拋物面鏡反射后都匯聚于焦點處，且在該應(yīng)用中無色像差[13]。根據(jù)光線的可逆性可知，從焦點輻射出來的能量也能成為平行于對稱軸的光束傳送出去。如圖5所示，光源位于其焦點位置。

圖5 拋物面鏡聚光模擬Fig.5 Concentration simulation of parabolic mirror

根據(jù)準(zhǔn)直透鏡的尺寸以及陣列排布，設(shè)定拋物面鏡焦距為200 mm、口徑為280 mm，透鏡的光軸平行于拋物面鏡的對稱軸，混光棒端口中心位于其焦點位置。

2.3 光學(xué)積分器的設(shè)計

混光棒是一種特殊的光學(xué)積分器[14]。在本設(shè)計中拋物面鏡聚集的光線在空間分布上是不均勻的，混光棒能將光線均勻化，其成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單。如圖6所示，聚集的光線進(jìn)入混光棒的輸入端口，在其內(nèi)壁發(fā)生多次反射，每次反射可看作產(chǎn)生了一個虛擬光源，最后實現(xiàn)多個虛擬光源疊加，從而保證混光棒出射光的照度均勻性[15]?；旃獍舻幕旃庑Ч饕Q于光棒的截面形狀、長度、入射光空間和角度分布。截面形狀為正方形或正六邊形的混光棒可以實現(xiàn)非常高的照明均勻性，在截面形狀一定時，混光棒的長度越長,混光效果越好，但到達(dá)一定均勻性后再增加長度則只會降低系統(tǒng)效率，使得結(jié)構(gòu)冗長。本設(shè)計中混光棒截面為8 mm×8 mm的正方形，長度為200 mm。通過仿真模擬光棒端口的出光特性，得出的照度線圖表如圖7所示，根據(jù)不均勻度公式：

(1)

式中：Imax、Imin分別為被照射面的最大照度和最小照度值。

代入數(shù)據(jù)得不均勻度達(dá)到0.9%。

圖6 混光棒中的光線路徑Fig.6 Light path in mixing light rod

圖7 混光棒端口照度線圖表Fig.7 Illumination line chart at mixing light rod port

2.4 準(zhǔn)直反射鏡的設(shè)計

經(jīng)混光棒勻光后，光斑的照度均勻性非常好，但是要在工作面上得到尺寸不小于直徑250 mm的均勻光斑，則需要一個準(zhǔn)直鏡來輸出光線。雖然太陽模擬器的成像系統(tǒng)并不以提高成像質(zhì)量為目的，但是大的像差會降低太陽模擬系統(tǒng)輻照面的光能利用率。因此，本設(shè)計中同樣采用拋物面鏡來進(jìn)行準(zhǔn)直，把拋物面鏡頂端打通，將混光棒的輸出端口放在拋物面焦點位置，拋物面鏡口徑大于300 mm。

3 仿真優(yōu)化及結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，利用LightTools建立模型進(jìn)行5×106條光線追跡，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)在接收面上成的光斑中部發(fā)生凹陷，不夠均勻，如圖10(a)、(b)所示。經(jīng)分析，僅僅依靠混光棒的勻光達(dá)不到理想效果，為進(jìn)一步改變勻光系統(tǒng)出光口的光強分布曲線，協(xié)調(diào)準(zhǔn)直及均勻性調(diào)控，考慮在混光棒前端添加混光效果明顯的復(fù)眼微結(jié)構(gòu)，再在出光面上加磨砂[16]，如圖9所示。經(jīng)不斷調(diào)整復(fù)眼結(jié)構(gòu)以及磨砂程度后的優(yōu)化結(jié)果如圖10(c)、(d)、(e)所示，在光斑尺寸約為直徑260 mm的輻照面上，不均勻度達(dá)到了2.5%，準(zhǔn)直角為1.5°。

圖8 LED太陽模擬器模型圖Fig.8 Model of LED solar simulator

圖9 微結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Microstructure diagram

圖10 仿真優(yōu)化前后照明特性結(jié)果圖Fig.10 Results of illumination characteristics before and after optimization are simulated

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于LED陣列光源，采用多燈具反射式同軸準(zhǔn)直系統(tǒng)的太陽模擬器，利用光學(xué)軟件LightTools通過蒙特卡羅光線追跡法對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示在直徑為260 mm的有效輻照面上輻照不均勻度為2.5%、準(zhǔn)直角為1.5°。且本設(shè)計采用的混光棒與微結(jié)構(gòu)的組合能夠充分打亂光線，有很好的勻光效果，拋物面鏡的聚光能力不受陣列的限制，增加陣列LED光源模塊的數(shù)量可大大提高功率和光譜匹配性，為大功率LED太陽模擬器的進(jìn)一步研究奠定了一定的基礎(chǔ)。