測試電子硬件和半導體紅外全光譜太陽光模擬器

技術參數(shù)

l                      目標區(qū)域：照明1.5 x 1.5m2

l                      頻譜：（ASTM E927）

l                      波長范圍：700nm至1100nm

l                      強度：相當于700 nm至1100 nm范圍內的1個太陽輻照度

l                      均勻度：1 x 1 m2：±10％（ASTM E927）

l                      1.5 x 1.5m2：±30％（ASTM E927）

l                      景深：±15cm，變化≤±5％（ASTM E927）

l                      衰減：10級，從0.1太陽到1.0太陽

l                      時間不穩(wěn)定性：A（ASTM E927）

為達到將太陽光譜在700 nm至1100 nm的近紅外波段與A類光譜相匹配的目的，需采用太陽模擬器。此外，還需確保光學系統(tǒng)能在較大的三維空間（尺寸為1.5×1.5×0.5 m3）中產(chǎn)生一致的光場。實驗室的空間限制為系統(tǒng)設計增加了額外的挑戰(zhàn)?？蛻粢髲钠x中心的角度對垂直目標平面進行照明，這是由于內部配置需求決定了光線必須在前方自由空間內照射。采用傾斜光線的方法成為了一種直接的選擇。工程團隊需運用科學技術進行深入研究和開發(fā)，以實現(xiàn)從偏離軸線的角度對目標平面進行照明，同時維持三維空間的均勻性。確定適合產(chǎn)生所需光譜形態(tài)的光源、光學配置和濾波方案是必要的步驟。鑒于安裝空間的局限性，太陽能模擬器系統(tǒng)還需維持整體的工作溫度?？蛻暨€提出需控制聲級，這要求進行額外的測試和系統(tǒng)的重新設計，特別是涉及到太陽模擬器內部結構的工作。最后，需要將輸出的輻照度逐步減少至高功率輸出的10%，為實現(xiàn)這一目標同時保持光場的均勻性，需進行進一步的重新設計和研究。

構思和設計系統(tǒng)

當光源光線垂直穿越目標平面時，該平面各邊緣均展現(xiàn)出對稱特性。這樣的特性是所有典型太陽模擬器設計中一部分，旨在形成一致的空間光場。標準的太陽模擬器能夠制造出與光源光軸垂直的均勻光場。光源光軸與目標平面垂直時，其邊緣的對稱性便于達到空間上的均勻分布。依據(jù)客戶需求，太陽模擬器需置于與目標平面光軸大約成30°角的位置，這就要求我們通過研發(fā)新的光學均勻化系統(tǒng)來確?？臻g均勻性。

預計將要制造的投影儀單元的模擬模型

光線追蹤模型

i）光學建模

科學技術工程團隊使用了廣泛的光學建模來模擬單個投影儀和均質化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在所需體積上實現(xiàn)空間均勻的光線。后來，排列了一個包含多個投影儀系統(tǒng)的太陽模擬器，并使用光學建模軟件優(yōu)化了投影儀的位置，以實現(xiàn)均勻的光量。

當組合了不同的光學材料和光源時，制作了一個特殊的軟件來模擬終的光譜輪廓。選擇并評估了許多濾光片和光源，以確定是否可以找到光源，光學器件（如透鏡和反射鏡）以及濾光片的理想組合。選擇理想的光學組合時，對項目的預算給予了特別關注?？紤]到石英鎢鹵素燈（QTH）的平滑IR發(fā)射，它被確定為模擬光的*佳光源。

對單個投影機進行測試以評估均勻性和穩(wěn)定性。

為了進一步測試，開發(fā)了用于測量三維空間均勻性的模擬光柵。

ii）測試系統(tǒng)的耐用性

進行了耐溫測試，以確定所選的光學材料和濾光片是否可以在燈的高光功率輸出下幸免。還進行了測試，以確定所需的空氣流量，用于系統(tǒng)冷卻目的的風扇的類型和位置。

iii）輻射衰減

進行光學建模以確定衰減器的*佳尺寸和位置，使其能夠滿足項目的衰減要求。

原型設計實施

八臺投影設備被設計用于對特定目標區(qū)域進行配置和照明。每臺光學投影設備都裝備有一枚2 kW的QTH燈，該燈配備了一個嵌入在橢圓形反射器內的石英外罩。各設備還內置了均質化部件，以滿足均勻性的特定要求。經(jīng)過仔細的設計與調整，系統(tǒng)成功滿足了空間均勻度的標準。另外，QTH燈系統(tǒng)中融合了物鏡和投影透鏡，并裝有用于過濾不需要波長范圍的長通濾波器。在700-1100nm的波長范圍內，系統(tǒng)確保了整個三維空間內光功率充足。在700nm至1100nm的光譜輸出測量中，系統(tǒng)在目標平面提供了必要的輻照度（ASTM E927）。光譜輸出曲線與700-1100nm波段的ASTM AM1.5G標準曲線相吻合。同時，工作距離也設置為可調節(jié)，以適應兩種焦距的需要。開發(fā)了一種成本效益高的光學系統(tǒng)來達成預期的空間均勻性、光譜特性和光功率要求。光學元件和濾波器通過風扇進行有效冷卻。此系統(tǒng)能夠以10%的步進值調整輸出輻照度，同時維持輸出光的空間均勻性。