Led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用大功率LED作為光源的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的自由曲面透鏡采用折反式結(jié)構(gòu)，在半角45°內(nèi)采用折射準(zhǔn)直，大于45°采用全反射準(zhǔn)直,透鏡中心厚度為7.57mm，直徑在20mm，安裝在LED的正上方。光學(xué)積分器組件由前后兩組透鏡陣列組成，每組透鏡由多個(gè)正六邊形元素透鏡和平凸元素透鏡按中心旋轉(zhuǎn)對稱緊密排列后光膠在同種玻璃材料圓板上組合而成，兩組的元素透鏡具有相同數(shù)量的通光口徑，并按光軸對稱反向安裝，前組為場鏡，后組為投影鏡。LED按光軸中心對稱排列，組合自由曲面透鏡形成平行光束，光束經(jīng)過菲涅爾匯聚透鏡，匯聚在處于菲涅爾匯聚透鏡焦面上的光學(xué)積分器的場鏡上，經(jīng)過場鏡和投影鏡后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄猓蛔詈蠼?jīng)菲涅爾準(zhǔn)直透鏡匯聚投影到輻照面。本發(fā)明能夠同時(shí)滿足輻照均勻度高和輸出能量密度達(dá)到1000W/m2的要求。
【專利說明】LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽模擬是利用人工光源模擬太陽光輻照特性的一門技術(shù)。太陽模擬器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大型太陽模擬器是航天技術(shù)中衛(wèi)星空間環(huán)境模擬的主要組成部分，主要用于完成衛(wèi)星的熱平衡試驗(yàn)，檢驗(yàn)衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)。中小型太陽模器用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的太陽敏感器地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定及地球資源衛(wèi)星多光譜掃描儀太陽光譜輻照響應(yīng)的地面定標(biāo)，同時(shí)中小型太陽模擬器在光伏科學(xué)與工程過程中也是必不可少的設(shè)備之一。這種類型的太陽模擬器可用于太陽電池的檢測與標(biāo)定、遙感技術(shù)中室內(nèi)模擬太陽光譜輻照以及農(nóng)業(yè)科學(xué)中研究植物發(fā)育和培育良種、建材行業(yè)中材料的耐輻照老化試驗(yàn)等。特別是近年來隨著適合于人體健康保健用太陽光裝置的研制成功，進(jìn)一步推動(dòng)了的研究人工太陽模擬技術(shù)。
[0003]在光伏產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的中小型太陽模擬器是光伏產(chǎn)業(yè)中檢測與定標(biāo)的必不可少的設(shè)備。早期的太陽模擬器的光源主要是碳弧燈，其優(yōu)點(diǎn)在于它的光譜分布和太陽光譜最為接近，缺點(diǎn)在于電極材料易損耗，易造成濺射污染而影響試件的光學(xué)性能。當(dāng)前用于光伏檢測定標(biāo)的太陽模擬器大多用氙燈作為光源，其優(yōu)點(diǎn)是工作狀態(tài)穩(wěn)定、光電參數(shù)一致性好、亮度高、發(fā)光效率高以及能夠形成對稱分布的配光曲線、光譜范圍比較接近真實(shí)太陽光譜分布等。但其不足同樣制約了其通用性，氙燈太陽模擬器體積大、成本高、能耗大。這使得其不能應(yīng)用到光伏小型、微型電池組件的試驗(yàn)與生產(chǎn)中。在大型組件的應(yīng)用中，氙燈模擬器耗電更多。在小型、微型組件的測量中一般用鹵鎢燈代替標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器，而鹵鎢燈的光譜分布與太陽光譜分布相差甚遠(yuǎn)。
[0004]目前國內(nèi)外使用的太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)都是以氙燈為光源設(shè)計(jì)的，無法套用在以LED為光源的太陽模擬器上，因此，很有必要開發(fā)一款新的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以LED為光源的太陽模擬器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出能量密度達(dá)到1000W/m2和輻照均勻度高的LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)。
[0006]為了解決上訴技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)包括大功率LED、自由曲面準(zhǔn)直透鏡、菲涅爾匯聚透鏡、光學(xué)積分器、光闌、菲涅爾準(zhǔn)直透鏡；所訴自由曲面準(zhǔn)直透鏡采用折反式結(jié)構(gòu)，在半角45°內(nèi)采用折射準(zhǔn)直，大于45°采用全反射準(zhǔn)直，透鏡中心厚度為7.57mm,直徑在20mm，安裝在LED的正上方。光學(xué)積分器由前后兩組透鏡陣列組成，每組透鏡由多個(gè)正六邊形元素和平凸元素透鏡按中心旋轉(zhuǎn)對稱緊密排列后光膠在同種玻璃材料圓板上而成，兩組的元素透鏡具有相同數(shù)量的通光口徑，并按光軸對稱反向安裝，前組為場鏡，后組為投影鏡。LED按光軸中心對稱排列，組合自由曲面透鏡形成平行光束，光束經(jīng)過菲涅爾匯聚透鏡，匯聚在處于菲涅爾匯聚透鏡焦點(diǎn)處的光學(xué)積分器的場鏡上，經(jīng)過場鏡和投影鏡后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?；最后?jīng)菲涅爾準(zhǔn)直透鏡投影到輻照面。
[0007]工作原理說明:
LED發(fā)出的輻射光經(jīng)自由曲面準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后再經(jīng)菲涅爾匯聚透鏡匯聚到菲涅爾匯聚透鏡的焦面上了，形成一個(gè)較大范圍的輻照分布。這個(gè)較大范圍的輻照分布被位于菲涅爾匯聚透鏡焦面上的場鏡元素透鏡陣列對稱分割形成多個(gè)小光源，然后被投影鏡元素透鏡陣列投影疊加成像到無窮遠(yuǎn)，形成一個(gè)輻照均勻的輻照范圍，這個(gè)均勻的輻照再由菲涅爾準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，投影到輻照面，形成均勻的輻照。
[0008]高顯色指數(shù)白光LED、峰值波長為850nmLED、峰值波長為940nmLED波段的單顆LED功率均為3W，峰值波長為660nmLED、峰值波長為730nmLED的單顆功率均為1W。
[0009]自由曲面準(zhǔn)直透鏡各個(gè)表面方程為:
折射上表面方程為:
2 = -0O03l(x5? O 0632(?2 + ^)- 0^042(xJ + v2)^ +0 4, (χ2 +y'< 56.25)
折射下表面方程為:
z = -0.0027 (x2 + y3+ O 04(.T2 + y3)+ 0.02(x2 + y3)'^ + 5 83; (a-3 + j2 < 49)
全反射表面方程為:
z = -0_00I7(sj +j1}^1 +O^ogfr1 +j?1 )+1079(1* +γ%ψ - 2 84.(56.25<r* + j* <110.25}
菲涅爾匯聚透鏡的焦距為700mm,紋距0.2mm,厚度為3mm。
[0010]菲涅爾準(zhǔn)直透鏡的焦距為1142.8mm,紋距0.5mm,厚度為3mm。
[0011]光學(xué)積分器組件(4)場鏡的元素透鏡為19個(gè)正六邊形平凸透鏡和18個(gè)鋸齒狀平凸透鏡，構(gòu)成光學(xué)積分器鏡組件(4)投影鏡的元素透鏡為19個(gè)正六邊形平凸透鏡和18個(gè)鋸齒狀平凸透鏡，元素透鏡外接圓直徑Drt =6mm，內(nèi)接圓直徑D外=D ? X COS30° ;元素透鏡的焦距F焦:
F=r/ (n-1);
r為元素透鏡的曲率半徑； η為元素透鏡所用材料的折射率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0013]圖1是本發(fā)明的LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
[0014]圖2是自由曲面三維模型。
[0015]圖3為自由曲面剖面圖。
[0016]圖4是光學(xué)積分器組件。
[0017]圖5是光學(xué)積分器正視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)包括大功率LED1、自由曲面準(zhǔn)直透鏡2、菲涅爾匯聚透鏡3、光學(xué)積分器組件4、光闌5、菲涅爾準(zhǔn)直透鏡6;所訴自由曲面準(zhǔn)直透鏡采用折反式結(jié)構(gòu)，三維模型如圖2所示，在半角45°內(nèi)采用折射準(zhǔn)直，大于45°采用全反射準(zhǔn)直，透鏡中心厚度為7.57mm，直徑在20mm，正視圖如圖3所示。按中心軸安裝在LED的正上方。所訴光學(xué)積分器組件如圖4和圖5所示，由前后兩組透鏡陣列組成，每組透鏡由多個(gè)正六邊形元素透鏡按中心旋轉(zhuǎn)對稱緊密排列后光膠在同種玻璃材料上而成，按光軸對稱反向安裝，前組為場鏡，后組為投影鏡。場鏡由一定數(shù)量的正六邊形元素透鏡和鋸齒狀透鏡緊密排列光膠在光膠板上，投影鏡鏡由一定數(shù)量的正六邊形元素透鏡和鋸齒狀透鏡緊密排列光膠在光膠板上。LED陣列安裝在距離菲涅爾匯聚透鏡30mm處，光學(xué)積分器組件中的場鏡位于菲涅爾匯聚透鏡焦面處，投影鏡位于菲涅爾準(zhǔn)直透鏡前焦面附近，光闌位于準(zhǔn)直物鏡的前焦面處。
[0019]自由曲面準(zhǔn)直透鏡、菲涅爾匯聚透鏡、菲涅爾準(zhǔn)直透鏡均采用折射率為1.49的PMMA材料，光學(xué)積分器組件均采用JGSl玻璃。
[0020]高顯色指數(shù)白光LED、峰值波長為850nmLED、峰值波長為940nmLED波段的單顆LED功率均為3W，峰值波長為660nmLED、峰值波長為730nmLED的單顆功率均為1W。
[0021]自由曲面準(zhǔn)直透鏡各個(gè)表面方程為:
折射上表面方程為:
2 = -0.003l(x2 +,平-O Oeilixi * Vi)- d.042(xs + >平 +114, {κ5 *-y3< 56.25)
折射下表面方程為:
^ = 一0.0027 (?2 + γ2ψ + O 04(?2 + y2)+ 0.02(χ2 + ,Vi)Κ'+ 5 83: (Xi 十 y2 < 49)
全反射表面方程為:
S = -OJOI? Jk1 + )M + 0._(?1 + J1)+ ￠.37p(rf + f f - 2 84, (56^ 25 < r* +/ * < I 1^ 2$)
菲涅爾匯聚透鏡的焦距為700mm,紋距0.2mm,厚度為3mm。
[0022]菲涅爾準(zhǔn)直透鏡的焦距為1142.8mm,紋距0.5mm,厚度為3mm。
[0023]光學(xué)積分器組件中場鏡由19個(gè)元素透鏡和18個(gè)結(jié)構(gòu)和元素透鏡相同的平凸透鏡光膠在同種玻璃材料圓板上構(gòu)成元素透鏡陣列，投影鏡由19個(gè)元素透鏡和18個(gè)結(jié)構(gòu)和元素透鏡相同的平凸透鏡光膠在同種玻璃材料圓板上構(gòu)成元素透鏡陣列。
[0024]本發(fā)明能夠同時(shí)滿足輻照均勻度高和輸出能量密度達(dá)到1000W/m2的要求。
[0025]本發(fā)明能夠達(dá)到下列指標(biāo):
a)有效輻照面積直徑:Φ220mm;
b)準(zhǔn)直角3.2。，輻照度近似1000 ff/m2;
c)輻照不均勻度3.8%;
d)光譜匹配:AM1.5光譜輻照度分布。
【權(quán)利要求】
1.LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括LED(I)、自由曲面準(zhǔn)直透鏡(2)、菲涅爾匯聚透鏡(3)、光學(xué)積分器組件(4)、光闌(5)、菲涅爾準(zhǔn)直透鏡(6);所訴自由曲面準(zhǔn)直透鏡(2)采用折反式結(jié)構(gòu)，在半角45°內(nèi)采用折射準(zhǔn)直，大于45°采用全反射準(zhǔn)直，透鏡中心厚度為7.57mm，直徑在20mm，安裝在LED(I)的正上方。
2.光學(xué)積分器(4)由前后兩組透鏡陣列組成，每組透鏡由多個(gè)正六邊形元素透鏡和平凸元素透鏡按中心旋轉(zhuǎn)對稱緊密排列后光膠在同種玻璃材料圓板上組合而成，兩組的元素透鏡具有相同數(shù)量的通光口徑，并按光軸對稱反向安裝，前組為場鏡，后組為投影鏡。
3.LED(I)按光軸中心對稱排列，組合自由曲面透鏡(2)形成平行光束，光束經(jīng)過菲涅爾匯聚透鏡(3)，匯聚在處于菲涅爾匯聚透鏡(3)焦點(diǎn)處的光學(xué)積分器(4)的場鏡上，經(jīng)過場鏡和投影鏡后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?；最后?jīng)菲涅爾準(zhǔn)直透鏡(6)投影到輻照面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的LED太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于: a)高顯色指數(shù)白光LED、峰值波長為850nmLED、峰值波長為940nmLED波段的單顆LED功率均為3W，峰值波長為660nmLED、峰值波長為730nmLED的單顆功率均為1W。
5.b)自由曲面準(zhǔn)直透鏡各個(gè)表面方程為: 折射上表面方程為:
z = -0.003l(x2 +/)? - 0,0632(j2 + /)- 0.042(x2 +j2 + 13.4,(/ 56.25) 折射下表面方程為:z = -0.0027(a.2 + y2ψ + 0.04(x2 + y2)+ 0.02(x2 + y2f^+5.83; (x2 + y2 ￡49) 全反射表面方程為:
Z = -O-OOnfx1 +J1 )^+ 0.088(1^7^+0.379^+^^^-2.84^56.25^13+Jj <110.25) c)菲涅爾匯聚透鏡的焦距為700mm,紋距0.2mm,厚度為3mm。
6.d)菲涅爾準(zhǔn)直透鏡的焦距為1142.8mm,紋距0.5mm,厚度為3mm。
7.f)光學(xué)積分器組件(4)場鏡的元素透鏡為19個(gè)正六邊形平凸透鏡和18個(gè)鋸齒狀平凸透鏡，構(gòu)成光學(xué)積分器鏡組件(4)投影鏡的元素透鏡為19個(gè)正六邊形平凸透鏡和18個(gè)鋸齒狀平凸透鏡，元素透鏡外接圓直徑D@=6mm，內(nèi)接圓直徑D#=D @ XCos30° ;元素透鏡的焦距F:
F=r/ (n-1); r為元素透鏡的曲率半徑； η為元素透鏡所用材料的折射率。
【文檔編號】G02B27/00GK104132303SQ201310160423
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月5日
【發(fā)明者】孫健剛, 李果華 申請人:南京浦光新能源有限公司