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)
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)。
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
2.1.1 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。
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。
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
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。
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
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)。