穩態太陽模擬器用于測試電子硬件和半導體

該太陽光模擬器可提供具有高空間均勻性和景深的紅外波長光譜

Custom Large Area IR solar simulator

This solar simulator provides illumination in the Infrared

wavelengths  with high spatial uniformity and depth of field

客戶需求

Sciencetech為認可的(de)消(xiao)費電子(zi)量身定(ding)制(zhi)了(le)該太(tai)陽模(mo)(mo)擬器。該太(tai)陽模(mo)(mo)擬器將在其研發中心(xin)用于測試電子(zi)硬件和(he)半導體。

該系統發射的紅外波長在700-1100nm范圍內，并在1個太陽強度下照射1.0 x 1.0 m²和1.5 x 1.5 m²的目標區域。下表總結了客戶的要求：

目標區域：照明1.5 x 1.5m²

頻(pin)譜：*（ASTM E927）

波長范(fan)圍(wei)：700nm至(zhi)1100nm

強度：相當于700 nm至1100 nm范圍內的1個(ge)太陽輻照度

均勻度：1 x 1 m²：±10％（ASTM E927）

1.5 x 1.5m²：±30％（ASTM E927）

景深：±15cm，變化(hua)≤±5％（ASTM E927）

衰減：10級，從0.1太(tai)陽到(dao)1.0太(tai)陽

時間不(bu)穩定性：*（ASTM E927）

啟動：≤15秒(miao)

復雜的技術要求

●需要使用太(tai)陽模擬器(qi)將太(tai)陽光(guang)譜與700 nm至1100 nm的近紅外區域中的A類(lei)光(guang)譜匹配進行匹配。

●需要光(guang)學系統在(zai)相對較大的3維體積（1.5×1.5 x 0.5 m3）上(shang)產生均(jun)勻的光(guang)場。

●實(shi)驗(yan)室(shi)空間(jian)的限(xian)制是對(dui)系統設計(ji)的額外(wai)限(xian)制。

●客戶要求光(guang)線(xian)從偏軸角度照(zhao)亮垂直(zhi)目標平(ping)面(mian)。這是由于其內部(bu)設置需要在(zai)目標平(ping)面(mian)正前方的自由空間。使光(guang)線(xian)傾(qing)斜是直(zhi)觀的解決方案。

●需要科學技術的(de)(de)工(gong)程團隊進(jin)行廣(guang)泛的(de)(de)研究(jiu)和(he)開(kai)發，以從請求(qiu)的(de)(de)離(li)軸(zhou)角度照亮(liang)目(mu)標平面，同時仍保(bao)持三維體(ti)積均勻性。

●必(bi)須(xu)配置(zhi)和(he)確定(ding)實現所需光(guang)譜形狀的適(shi)當光(guang)源，光(guang)學設置(zhi)和(he)濾波方案(an)。

●考(kao)慮到要(yao)放置(zhi)的房間(jian)的限制，還需要(yao)太(tai)陽(yang)能模擬器系(xi)統來(lai)維持(chi)整體溫度(du)。

●另(ling)外，客戶要求(qiu)限制聲級，這需要進行額外的(de)測試和(he)重新設(she)計工作(zuo)，其中涉及太陽模擬器系統的(de)內部工作(zuo)。

●必(bi)需(xu)的輸出輻照(zhao)度必(bi)須逐步(bu)降低至大(da)功(gong)率輸出的10％。需(xu)要進一步(bu)的重新設計和研究以(yi)實現光源的衰減同時(shi)保持均勻性(xing)。

●穩態太陽模擬器用于測試電子硬件和半導體

構思和設計系統

當光(guang)源的(de)光(guang)軸垂直(zhi)于(yu)(yu)目(mu)標(biao)平面時，目(mu)標(biao)平面的(de)所有邊緣(yuan)都具有對稱(cheng)性(xing)。此(ci)屬性(xing)用于(yu)(yu)所有標(biao)準太陽模擬(ni)器的(de)設計中，以生成空間(jian)均勻的(de)光(guang)場。

標(biao)準的(de)(de)(de)太陽模(mo)擬器(qi)(qi)產生垂直(zhi)于光(guang)(guang)(guang)源(yuan)光(guang)(guang)(guang)軸的(de)(de)(de)空(kong)間(jian)均(jun)勻的(de)(de)(de)目(mu)(mu)標(biao)平面。當(dang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)軸垂直(zhi)于目(mu)(mu)標(biao)平面時，目(mu)(mu)標(biao)平面的(de)(de)(de)所有(you)邊緣都具有(you)對稱性(xing)。當(dang)可以使(shi)用這種對稱性(xing)時，更(geng)容易實現(xian)空(kong)間(jian)均(jun)勻性(xing)。根據客戶要求，需要將太陽模(mo)擬器(qi)(qi)放(fang)置在(zai)與目(mu)(mu)標(biao)平面光(guang)(guang)(guang)軸大約30°的(de)(de)(de)位置。因此(ci)，需要通過(guo)研究(jiu)和(he)開發新的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學均(jun)質(zhi)系統(tong)來實現(xian)空(kong)間(jian)均(jun)勻性(xing)。

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光(guang)線追蹤模(mo)型

預(yu)計(ji)將(jiang)要制造(zao)的(de)投影(ying)儀單元(yuan)的(de)模(mo)擬模(mo)型

i）光學建模

科(ke)學技術工程團隊使用了廣泛(fan)的(de)光(guang)學建模(mo)來(lai)模(mo)擬單個投影(ying)儀(yi)和均質化系統(tong)，該系統(tong)可(ke)以(yi)(yi)在(zai)所需體積上實現空間均勻的(de)光(guang)線(xian)。后來(lai)，排列了一個包含多個投影(ying)儀(yi)系統(tong)的(de)太陽模(mo)擬器，并使用光(guang)學建模(mo)軟件優化了投影(ying)儀(yi)的(de)位置，以(yi)(yi)實現均勻的(de)光(guang)量。

當組(zu)(zu)合了(le)不同的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學材料和光(guang)(guang)(guang)源時(shi)，制作了(le)一個特殊的(de)(de)軟件來(lai)模(mo)擬(ni)終的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜輪廓(kuo)。選擇并評估了(le)許(xu)多濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片和光(guang)(guang)(guang)源，以(yi)(yi)確(que)定(ding)是否可以(yi)(yi)找到光(guang)(guang)(guang)源，光(guang)(guang)(guang)學器件（如(ru)透鏡和反(fan)射(she)鏡）以(yi)(yi)及濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片的(de)(de)理(li)想組(zu)(zu)合。選擇理(li)想的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學組(zu)(zu)合時(shi)，對項目的(de)(de)預算給予了(le)特別關注。考慮到石英鎢(wu)鹵素(su)燈（QTH）的(de)(de)平滑IR發射(she)，它(ta)被確(que)定(ding)為(wei)模(mo)擬(ni)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)*佳光(guang)(guang)(guang)源。

對單個投影機進行測試以評估均勻性(xing)和穩定性(xing)。

為(wei)了進一步測試，開發了用于測量三維空間均勻性(xing)的模(mo)擬光柵。

ii）測試系統的耐用性

進行了耐溫測試(shi)(shi)，以(yi)(yi)確(que)定(ding)(ding)所(suo)選的(de)(de)光(guang)(guang)學材料和濾光(guang)(guang)片(pian)是否可以(yi)(yi)在燈(deng)的(de)(de)高光(guang)(guang)功(gong)率輸出下(xia)幸(xing)免。還進行了測試(shi)(shi)，以(yi)(yi)確(que)定(ding)(ding)所(suo)需的(de)(de)空氣(qi)流(liu)量，用(yong)于系統冷卻目的(de)(de)的(de)(de)風扇的(de)(de)類型(xing)和位置。

iii）輻射衰減

進行光(guang)學建模(mo)以(yi)確定衰減器的*佳尺(chi)寸和(he)位置，使其能夠滿(man)足項(xiang)目的衰減要求。

原型設計實施

八個(ge)(ge)投影儀(yi)單元(yuan)(yuan)用于(yu)所需目標區(qu)域的(de)設計和照明。每個(ge)(ge)光(guang)學投影儀(yi)單元(yuan)(yuan)都由一個(ge)(ge)2 kW QTH燈(deng)組成，該(gai)燈(deng)帶有一個(ge)(ge)固定在橢(tuo)圓形反(fan)射鏡中的(de)石英外殼。每個(ge)(ge)單元(yuan)(yuan)還包(bao)含一個(ge)(ge)均質(zhi)組件(jian)，以(yi)實現(xian)所需的(de)均勻性要求(qiu)。在精心設計和微調系統后，成功實現(xian)了空(kong)間均勻性規范。

此外(wai)，QTH燈系統還集(ji)成了物(wu)鏡和(he)投影透鏡，以及用于消除不(bu)想要(yao)的(de)波長范圍的(de)長通(tong)濾光鏡。

在整個三(san)維體積上(shang)(shang)，光(guang)功率(lv)足以在700-1100nm區域中達到所需(xu)的(de)功率(lv)水平。當測量700nm-1100nm光(guang)譜輸出時，系統在目標平面(mian)上(shang)(shang)提供了所需(xu)的(de)輻(fu)照度（ASTM E927）。光(guang)譜輸出的(de)形狀與700-1100nm波長的(de)ASTM AM1.5G曲線匹(pi)配(pei)。工(gong)作(zuo)距離也被設置為可調的(de)，以適應兩種不(bu)同的(de)焦距。

設計(ji)并生產了(le)一(yi)種廉價的(de)光(guang)(guang)學(xue)系統(tong)，以實現預期的(de)空(kong)間(jian)均(jun)(jun)勻(yun)性(xing)，光(guang)(guang)譜(pu)和光(guang)(guang)功率。使用(yong)風(feng)扇將光(guang)(guang)學(xue)元件和濾光(guang)(guang)片充分冷卻(que)。該系統(tong)能夠(gou)以10％的(de)增量衰減輸(shu)出輻(fu)照度，同時保(bao)持輸(shu)出光(guang)(guang)的(de)空(kong)間(jian)均(jun)(jun)勻(yun)性(xing)。

測試與安裝

該系(xi)統已成功完成，并且由科學技術工程師在(zai)客戶實驗(yan)室所在(zai)地進行了(le)安裝和培訓。

終(zhong)的(de)(de)太陽模擬器系統可照亮(liang)1.5m x 1.5m的(de)(de)目標區(qu)域