Led太阳模拟器光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用大功率LED作为光源的太阳模拟器光学系统，该系统的自由曲面透镜采用折反式结构，在半角45°内采用折射准直，大于45°采用全反射准直,透镜中心厚度为7.57mm，直径在20mm，安装在LED的正上方。光学积分器组件由前后两组透镜阵列组成，每组透镜由多个正六边形元素透镜和平凸元素透镜按中心旋转对称紧密排列后光胶在同种玻璃材料圆板上组合而成，两组的元素透镜具有相同数量的通光口径，并按光轴对称反向安装，前组为场镜，后组为投影镜。LED按光轴中心对称排列，组合自由曲面透镜形成平行光束，光束经过菲涅尔汇聚透镜，汇聚在处于菲涅尔汇聚透镜焦面上的光学积分器的场镜上，经过场镜和投影镜后转变为平行光；最后经菲涅尔准直透镜汇聚投影到辐照面。本发明能够同时满足辐照均匀度高和输出能量密度达到1000W/m2的要求。
【专利说明】LED太阳模拟器光学系统
【技术领域】
[0001]本发明属于光学设计【技术领域】，涉及一种LED太阳模拟器光学系统。
【背景技术】
[0002]太阳模拟是利用人工光源模拟太阳光辐照特性的一门技术。太阳模拟器的应用领域非常广泛，大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分，主要用于完成卫星的热平衡试验，检验卫星的热设计。中小型太阳模器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标，同时中小型太阳模拟器在光伏科学与工程过程中也是必不可少的设备之一。这种类型的太阳模拟器可用于太阳电池的检测与标定、遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。特别是近年来随着适合于人体健康保健用太阳光装置的研制成功，进一步推动了的研究人工太阳模拟技术。
[0003]在光伏产业中应用的中小型太阳模拟器是光伏产业中检测与定标的必不可少的设备。早期的太阳模拟器的光源主要是碳弧灯，其优点在于它的光谱分布和太阳光谱最为接近，缺点在于电极材料易损耗，易造成溅射污染而影响试件的光学性能。当前用于光伏检测定标的太阳模拟器大多用氙灯作为光源，其优点是工作状态稳定、光电参数一致性好、亮度高、发光效率高以及能够形成对称分布的配光曲线、光谱范围比较接近真实太阳光谱分布等。但其不足同样制约了其通用性，氙灯太阳模拟器体积大、成本高、能耗大。这使得其不能应用到光伏小型、微型电池组件的试验与生产中。在大型组件的应用中，氙灯模拟器耗电更多。在小型、微型组件的测量中一般用卤钨灯代替标准太阳模拟器，而卤钨灯的光谱分布与太阳光谱分布相差甚远。
[0004]目前国内外使用的太阳模拟器的光学系统都是以氙灯为光源设计的，无法套用在以LED为光源的太阳模拟器上，因此，很有必要开发一款新的光学系统实现以LED为光源的太阳模拟器。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种能够同时实现输出能量密度达到1000W/m2和辐照均匀度高的LED太阳模拟器光学系统。
[0006]为了解决上诉技术问题，本发明实现的LED太阳模拟器光学系统包括大功率LED、自由曲面准直透镜、菲涅尔汇聚透镜、光学积分器、光阑、菲涅尔准直透镜；所诉自由曲面准直透镜采用折反式结构，在半角45°内采用折射准直，大于45°采用全反射准直，透镜中心厚度为7.57mm,直径在20mm，安装在LED的正上方。光学积分器由前后两组透镜阵列组成，每组透镜由多个正六边形元素和平凸元素透镜按中心旋转对称紧密排列后光胶在同种玻璃材料圆板上而成，两组的元素透镜具有相同数量的通光口径，并按光轴对称反向安装，前组为场镜，后组为投影镜。LED按光轴中心对称排列，组合自由曲面透镜形成平行光束，光束经过菲涅尔汇聚透镜，汇聚在处于菲涅尔汇聚透镜焦点处的光学积分器的场镜上，经过场镜和投影镜后转变为平行光；最后经菲涅尔准直透镜投影到辐照面。
[0007]工作原理说明:
LED发出的辐射光经自由曲面准直透镜准直后再经菲涅尔汇聚透镜汇聚到菲涅尔汇聚透镜的焦面上了，形成一个较大范围的辐照分布。这个较大范围的辐照分布被位于菲涅尔汇聚透镜焦面上的场镜元素透镜阵列对称分割形成多个小光源，然后被投影镜元素透镜阵列投影叠加成像到无穷远，形成一个辐照均匀的辐照范围，这个均匀的辐照再由菲涅尔准直透镜准直，投影到辐照面，形成均匀的辐照。
[0008]高显色指数白光LED、峰值波长为850nmLED、峰值波长为940nmLED波段的单颗LED功率均为3W，峰值波长为660nmLED、峰值波长为730nmLED的单颗功率均为1W。
[0009]自由曲面准直透镜各个表面方程为:
折射上表面方程为:
2 = -0O03l(x5? O 0632(?2 + ^)- 0^042(xJ + v2)^ +0 4, (χ2 +y'< 56.25)
折射下表面方程为:
z = -0.0027 (x2 + y3+ O 04(.T2 + y3)+ 0.02(x2 + y3)'^ + 5 83; (a-3 + j2 < 49)
全反射表面方程为:
z = -0_00I7(sj +j1}^1 +O^ogfr1 +j?1 )+1079(1* +γ%ψ - 2 84.(56.25<r* + j* <110.25}
菲涅尔汇聚透镜的焦距为700mm,纹距0.2mm,厚度为3mm。
[0010]菲涅尔准直透镜的焦距为1142.8mm,纹距0.5mm,厚度为3mm。
[0011]光学积分器组件(4)场镜的元素透镜为19个正六边形平凸透镜和18个锯齿状平凸透镜，构成光学积分器镜组件(4)投影镜的元素透镜为19个正六边形平凸透镜和18个锯齿状平凸透镜，元素透镜外接圆直径Drt =6mm，内接圆直径D外=D ? X COS30° ;元素透镜的焦距F焦:
F=r/ (n-1);
r为元素透镜的曲率半径； η为元素透镜所用材料的折射率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0013]图1是本发明的LED太阳模拟器光学系统示意图。
[0014]图2是自由曲面三维模型。
[0015]图3为自由曲面剖面图。
[0016]图4是光学积分器组件。
[0017]图5是光学积分器正视图。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，本发明的LED太阳模拟器光学系统包括大功率LED1、自由曲面准直透镜2、菲涅尔汇聚透镜3、光学积分器组件4、光阑5、菲涅尔准直透镜6;所诉自由曲面准直透镜采用折反式结构，三维模型如图2所示，在半角45°内采用折射准直，大于45°采用全反射准直，透镜中心厚度为7.57mm，直径在20mm，正视图如图3所示。按中心轴安装在LED的正上方。所诉光学积分器组件如图4和图5所示，由前后两组透镜阵列组成，每组透镜由多个正六边形元素透镜按中心旋转对称紧密排列后光胶在同种玻璃材料上而成，按光轴对称反向安装，前组为场镜，后组为投影镜。场镜由一定数量的正六边形元素透镜和锯齿状透镜紧密排列光胶在光胶板上，投影镜镜由一定数量的正六边形元素透镜和锯齿状透镜紧密排列光胶在光胶板上。LED阵列安装在距离菲涅尔汇聚透镜30mm处，光学积分器组件中的场镜位于菲涅尔汇聚透镜焦面处，投影镜位于菲涅尔准直透镜前焦面附近，光阑位于准直物镜的前焦面处。
[0019]自由曲面准直透镜、菲涅尔汇聚透镜、菲涅尔准直透镜均采用折射率为1.49的PMMA材料，光学积分器组件均采用JGSl玻璃。
[0020]高显色指数白光LED、峰值波长为850nmLED、峰值波长为940nmLED波段的单颗LED功率均为3W，峰值波长为660nmLED、峰值波长为730nmLED的单颗功率均为1W。
[0021]自由曲面准直透镜各个表面方程为:
折射上表面方程为:
2 = -0.003l(x2 +,平-O Oeilixi * Vi)- d.042(xs + >平 +114, {κ5 *-y3< 56.25)
折射下表面方程为:
^ = 一0.0027 (?2 + γ2ψ + O 04(?2 + y2)+ 0.02(χ2 + ,Vi)Κ'+ 5 83: (Xi 十 y2 < 49)
全反射表面方程为:
S = -OJOI? Jk1 + )M + 0._(?1 + J1)+ ￠.37p(rf + f f - 2 84, (56^ 25 < r* +/ * < I 1^ 2$)
菲涅尔汇聚透镜的焦距为700mm,纹距0.2mm,厚度为3mm。
[0022]菲涅尔准直透镜的焦距为1142.8mm,纹距0.5mm,厚度为3mm。
[0023]光学积分器组件中场镜由19个元素透镜和18个结构和元素透镜相同的平凸透镜光胶在同种玻璃材料圆板上构成元素透镜阵列，投影镜由19个元素透镜和18个结构和元素透镜相同的平凸透镜光胶在同种玻璃材料圆板上构成元素透镜阵列。
[0024]本发明能够同时满足辐照均匀度高和输出能量密度达到1000W/m2的要求。
[0025]本发明能够达到下列指标:
a)有效辐照面积直径:Φ220mm;
b)准直角3.2。，辐照度近似1000 ff/m2;
c)辐照不均匀度3.8%;
d)光谱匹配:AM1.5光谱辐照度分布。
【权利要求】
1.LED太阳模拟器光学系统，其特征在于:包括LED(I)、自由曲面准直透镜(2)、菲涅尔汇聚透镜(3)、光学积分器组件(4)、光阑(5)、菲涅尔准直透镜(6);所诉自由曲面准直透镜(2)采用折反式结构，在半角45°内采用折射准直，大于45°采用全反射准直，透镜中心厚度为7.57mm，直径在20mm，安装在LED(I)的正上方。
2.光学积分器(4)由前后两组透镜阵列组成，每组透镜由多个正六边形元素透镜和平凸元素透镜按中心旋转对称紧密排列后光胶在同种玻璃材料圆板上组合而成，两组的元素透镜具有相同数量的通光口径，并按光轴对称反向安装，前组为场镜，后组为投影镜。
3.LED(I)按光轴中心对称排列，组合自由曲面透镜(2)形成平行光束，光束经过菲涅尔汇聚透镜(3)，汇聚在处于菲涅尔汇聚透镜(3)焦点处的光学积分器(4)的场镜上，经过场镜和投影镜后转变为平行光；最后经菲涅尔准直透镜(6)投影到辐照面。
4.根据权利要求1所诉的LED太阳模拟器光学系统，其特征在于: a)高显色指数白光LED、峰值波长为850nmLED、峰值波长为940nmLED波段的单颗LED功率均为3W，峰值波长为660nmLED、峰值波长为730nmLED的单颗功率均为1W。
5.b)自由曲面准直透镜各个表面方程为: 折射上表面方程为:
z = -0.003l(x2 +/)? - 0,0632(j2 + /)- 0.042(x2 +j2 + 13.4,(/ 56.25) 折射下表面方程为:z = -0.0027(a.2 + y2ψ + 0.04(x2 + y2)+ 0.02(x2 + y2f^+5.83; (x2 + y2 ￡49) 全反射表面方程为:
Z = -O-OOnfx1 +J1 )^+ 0.088(1^7^+0.379^+^^^-2.84^56.25^13+Jj <110.25) c)菲涅尔汇聚透镜的焦距为700mm,纹距0.2mm,厚度为3mm。
6.d)菲涅尔准直透镜的焦距为1142.8mm,纹距0.5mm,厚度为3mm。
7.f)光学积分器组件(4)场镜的元素透镜为19个正六边形平凸透镜和18个锯齿状平凸透镜，构成光学积分器镜组件(4)投影镜的元素透镜为19个正六边形平凸透镜和18个锯齿状平凸透镜，元素透镜外接圆直径D@=6mm，内接圆直径D#=D @ XCos30° ;元素透镜的焦距F:
F=r/ (n-1); r为元素透镜的曲率半径； η为元素透镜所用材料的折射率。
【文档编号】G02B27/00GK104132303SQ201310160423
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年5月5日 优先权日:2013年5月5日
【发明者】孙健刚, 李果华 申请人:南京浦光新能源有限公司