測(cè)試電子硬件和半導(dǎo)體紅外全光譜太陽光模擬器

技術(shù)參數(shù)

l                      目標(biāo)區(qū)域：照明1.5 x 1.5m2

l                      頻譜：（ASTM E927）

l                      波長(zhǎng)范圍：700nm至1100nm

l                      強(qiáng)度：相當(dāng)于700 nm至1100 nm范圍內(nèi)的1個(gè)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(jí)，從0.1太陽到1.0太陽

l                      時(shí)間不穩(wěn)定性：A（ASTM E927）

為達(dá)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(xué)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(chǎng)。實(shí)驗(yàn)室的空間限制為系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了額外的挑戰(zhàn)。客戶要求從偏離中心的角度對(duì)垂直目標(biāo)平面進(jìn)行照明，這是由于內(nèi)部配置需求決定了光線必須在前方自由空間內(nèi)照射。采用傾斜光線的方法成為了一種直接的選擇。工程團(tuán)隊(duì)需運(yùn)用科學(xué)技術(shù)進(jìn)行深入研究和開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)從偏離軸線的角度對(duì)目標(biāo)平面進(jìn)行照明，同時(shí)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(xué)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。客戶還提出需控制聲級(jí)，這要求進(jìn)行額外的測(cè)試和系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，特別是涉及到太陽模擬器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)同時(shí)保持光場(chǎng)的均勻性，需進(jìn)行進(jìn)一步的重新設(shè)計(jì)和研究。

構(gòu)思和設(shè)計(jì)系統(tǒng)

當(dāng)光源光線垂直穿越目標(biāo)平面時(shí)，該平面各邊緣均展現(xiàn)出對(duì)稱特性。這樣的特性是所有典型太陽模擬器設(shè)計(jì)中一部分，旨在形成一致的空間光場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)的太陽模擬器能夠制造出與光源光軸垂直的均勻光場(chǎng)。光源光軸與目標(biāo)平面垂直時(shí)，其邊緣的對(duì)稱性便于達(dá)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(biāo)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(xué)均勻化系統(tǒng)來確保空間均勻性。

預(yù)計(jì)將要制造的投影儀單元的模擬模型

光線追蹤模型

i）光學(xué)建模

科學(xué)技術(shù)工程團(tuán)隊(duì)使用了廣泛的光學(xué)建模來模擬單個(gè)投影儀和均質(zhì)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在所需體積上實(shí)現(xiàn)空間均勻的光線。后來，排列了一個(gè)包含多個(gè)投影儀系統(tǒng)的太陽模擬器，并使用光學(xué)建模軟件優(yōu)化了投影儀的位置，以實(shí)現(xiàn)均勻的光量。

當(dāng)組合了不同的光學(xué)材料和光源時(shí)，制作了一個(gè)特殊的軟件來模擬終的光譜輪廓。選擇并評(píng)估了許多濾光片和光源，以確定是否可以找到光源，光學(xué)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(xué)組合時(shí)，對(duì)項(xiàng)目的預(yù)算給予了特別關(guān)注。考慮到石英鎢鹵素?zé)簦≦TH）的平滑IR發(fā)射，它被確定為模擬光的*佳光源。

對(duì)單個(gè)投影機(jī)進(jìn)行測(cè)試以評(píng)估均勻性和穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步測(cè)試，開發(fā)了用于測(cè)量三維空間均勻性的模擬光柵。

ii）測(cè)試系統(tǒng)的耐用性

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

iii）輻射衰減

進(jìn)行光學(xué)建模以確定衰減器的*佳尺寸和位置，使其能夠滿足項(xiàng)目的衰減要求。

原型設(shè)計(jì)實(shí)施

八臺(tái)投影設(shè)備被設(shè)計(jì)用于對(duì)特定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行配置和照明。每臺(tái)光學(xué)投影設(shè)備都裝備有一枚2 kW的QTH燈，該燈配備了一個(gè)嵌入在橢圓形反射器內(nèi)的石英外罩。各設(shè)備還內(nèi)置了均質(zhì)化部件，以滿足均勻性的特定要求。經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計(jì)與調(diào)整，系統(tǒng)成功滿足了空間均勻度的標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǎng)范圍的長(zhǎng)通濾波器。在700-1100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)確保了整個(gè)三維空間內(nèi)光功率充足。在700nm至1100nm的光譜輸出測(cè)量中，系統(tǒng)在目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)曲線相吻合。同時(shí)，工作距離也設(shè)置為可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)兩種焦距的需要。開發(fā)了一種成本效益高的光學(xué)系統(tǒng)來達(dá)成預(yù)期的空間均勻性、光譜特性和光功率要求。光學(xué)元件和濾波器通過風(fēng)扇進(jìn)行有效冷卻。此系統(tǒng)能夠以10%的步進(jìn)值調(diào)整輸出輻照度，同時(shí)維持輸出光的空間均勻性。