本發(fā)明屬于二次光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體是涉及一種led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

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)，能夠提供與太陽光光譜相匹配的、準(zhǔn)直的、輻照度穩(wěn)定的輻射源，在航空航天、氣象、民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，國內(nèi)外使用的大部分太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)仍是針對氙燈為光源作為設(shè)計(jì)，雖然氙燈的光譜線最接近自然太陽光照，但采用氙燈作為光源，仍具有壽命短、成本高、體積大等缺陷。除光源自有缺陷外，通過采用濾光片等技術(shù)，獲得較為理想的標(biāo)準(zhǔn)光源，將導(dǎo)致能量損失嚴(yán)重；此外，這些傳統(tǒng)光源體積較大，要實(shí)現(xiàn)均勻照度分布，需要較大光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光線整合，加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并導(dǎo)致整體光學(xué)系統(tǒng)龐大。

半導(dǎo)體照明（led照明）是繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。相比氙燈，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、長壽命、近似點(diǎn)光源，易于光學(xué)設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，將led取代傳統(tǒng)太陽模擬器光源，能夠很大程度上的縮小太陽模擬器的體積，并減小使用功率，有利于其光學(xué)系統(tǒng)往小型化、便攜式方面發(fā)展。因此，很有必要發(fā)明一款新型適合led為光源的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)。

目前，led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多是陣列排布，為了實(shí)現(xiàn)太陽光光譜，陣列l(wèi)ed光源需多種不同波長led芯片光源均勻混合，這導(dǎo)致對該系列陣列光源進(jìn)行的二次光學(xué)設(shè)計(jì)難度非常大，因?yàn)槟壳皼]有針對多波長擴(kuò)展光源有效的光學(xué)解決方案，而且該光學(xué)系統(tǒng)需同時解決太陽光模擬器準(zhǔn)直性、輻照度均勻性、光譜匹配性三大技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步加劇該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。然而，由于陣列光源，光源過多、且不同波長，很難通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法去支撐該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而光電一體化光學(xué)設(shè)計(jì)將是一種相對有效的解決途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種緊湊、小型，能夠?qū)崿F(xiàn)有效輻照面高輻照度均勻性、高光譜匹配性，且出射光具有高準(zhǔn)直性的led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)led光源模塊，該led光源模塊為一個匹配太陽全光譜的cob光源模塊；或者，為由多個匹配局部太陽光譜的cob光源模塊組成的太陽全光譜光源模塊；而且，根據(jù)am1.5太陽光譜曲線，所述cob光源模塊選取不同波長的led芯片集合而成；或者，選取表面添加了不同熒光粉的led芯片集合而成；或者，選取表面添加了熒光粉的不同led芯片集合而成；

步驟二、對led光源模塊進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，從而形成led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)；所述的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，包括：

a）led芯片位置排布設(shè)計(jì)：將led光源模塊采用的若干個led芯片中的兩個led芯片設(shè)置在led光源模塊的中間位置，其余的led芯片設(shè)置在這兩個led芯片的外周，且位于中間的兩個led芯片的其中一個的波長為600nm-700nm，另一個的波長為700nm-800nm；

b）準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)：采用全反射tir透鏡；或者，采用菲涅耳透鏡；

c）全反射腔設(shè)計(jì)：全反射腔由兩個拋物面及設(shè)置在兩個拋物面之間的圓柱反射管組成，通過該全反射腔能夠匯聚cob光源于勻光系統(tǒng)，并提高匯聚效率；

d）勻光系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用全反射導(dǎo)光柱或?qū)Ч鈭A錐；

e）光強(qiáng)控制：在全反射導(dǎo)光柱或?qū)Ч鈭A錐的前端添加一個漫反射微結(jié)構(gòu)單元，通過該漫反射微結(jié)構(gòu)單元能夠改變勻光系統(tǒng)出光口的光強(qiáng)分布曲線，協(xié)調(diào)進(jìn)一步準(zhǔn)直及均勻性調(diào)控，而且該漫反射微結(jié)構(gòu)單元的微結(jié)構(gòu)圖形為球形、錐形、拋物形中的一種或三種的組合；

f）自由曲面反射設(shè)計(jì)：采用自由曲面反射鏡，且自由曲面的離散點(diǎn)軌跡是依據(jù)勻光系統(tǒng)出光口光強(qiáng)分布曲線及準(zhǔn)直性限制條件計(jì)算所得。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）本發(fā)明采用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，綜合考慮led光源排布、電學(xué)控制、以及相匹配的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，這將很大程度增大設(shè)計(jì)的靈活性與自由度，較容易實(shí)現(xiàn)太陽模擬器的性能參數(shù)；

2）本發(fā)明針對傳統(tǒng)led陣列光源，將能產(chǎn)生太陽光譜的重復(fù)單元光源集成于cob光源模塊，然后通過cob光源排布、混光、二次光學(xué)設(shè)計(jì)了一種緊湊、小型led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，可以減輕傳統(tǒng)混光壓力，并降低一體化設(shè)計(jì)中光源排布難度；

3）由于集成的cob光源屬于面光源，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后存在一個較大的發(fā)散角，準(zhǔn)直光經(jīng)反射鏡匯聚到勻光系統(tǒng)時，存在能量損失，在此背景下，本發(fā)明設(shè)計(jì)一個可收斂的全反射腔系統(tǒng)，再次匯聚遺失的能量，提高光源的匯聚效率；

4）本發(fā)明中的準(zhǔn)直性設(shè)計(jì)，是通過導(dǎo)光柱或?qū)Ч鈭A錐勻光系統(tǒng)前端添加一個漫反射微結(jié)構(gòu)單元，以及在出光口處進(jìn)行反射鏡自由曲面設(shè)計(jì)，經(jīng)兩者優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光路準(zhǔn)直，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，準(zhǔn)直光較容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橥ㄟ^光學(xué)積分器勻光后再經(jīng)透鏡產(chǎn)生的準(zhǔn)直光存在的一定色散現(xiàn)象，本發(fā)明中準(zhǔn)直光是經(jīng)勻光后再經(jīng)反射鏡產(chǎn)生，這樣的光學(xué)解決發(fā)案，會使光最終未發(fā)生折射，不會導(dǎo)致最終的色散現(xiàn)象，將使得太陽光模擬器光譜匹配性大幅度提高，準(zhǔn)直性≤1o、輻照不均勻度≤2%。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的新型led太陽模擬器光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述cob光源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)圖形示意圖。

圖4是本發(fā)明仿真結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)led光源模塊，該led光源模塊為一個匹配太陽全光譜的cob光源模塊；或者，為由多個匹配局部太陽光譜的cob光源模塊組成的太陽全光譜光源模塊；而且，根據(jù)am1.5太陽光譜曲線，所述cob光源模塊可選取不同波長的led芯片集合而成；或者，選取表面添加了不同熒光粉的led芯片集合而成；或者，選取表面添加了熒光粉的不同led芯片集合而成；

步驟二、對led光源模塊進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，從而形成led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)；所述的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，包括：

a）led芯片位置排布設(shè)計(jì)：將led光源模塊采用的若干個led芯片中的兩個led芯片設(shè)置在led光源模塊的中間位置，其余的led芯片設(shè)置在這兩個led芯片的外周，且位于中間的兩個led芯片的其中一個的波長為600nm-700nm，另一個的波長為700nm-800nm；

b）準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)：采用全反射tir透鏡；或者，采用菲涅耳透鏡；

c）全反射腔設(shè)計(jì)：全反射腔由兩個拋物面及設(shè)置在兩個拋物面之間的圓柱反射管組成，通過該全反射腔能夠匯聚cob光源于勻光系統(tǒng)，并提高匯聚效率；

d）勻光系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用全反射導(dǎo)光柱或?qū)Ч鈭A錐；

e）光強(qiáng)控制：在全反射導(dǎo)光柱或?qū)Ч鈭A錐的前端添加一個漫反射微結(jié)構(gòu)單元，通過該漫反射微結(jié)構(gòu)單元能夠改變勻光系統(tǒng)出光口的光強(qiáng)分布曲線，協(xié)調(diào)進(jìn)一步準(zhǔn)直及均勻性調(diào)控，而且該漫反射微結(jié)構(gòu)單元的微結(jié)構(gòu)圖形為球形、錐形、拋物形中的一種或三種的組合；

f）自由曲面反射設(shè)計(jì)：采用自由曲面反射鏡，且自由曲面的離散點(diǎn)軌跡是依據(jù)勻光系統(tǒng)出光口光強(qiáng)分布曲線及準(zhǔn)直性限制條件計(jì)算所得。

如圖1所示，通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的led太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)，包括led光源模塊1、單個led芯片光源準(zhǔn)直系統(tǒng)2、全反射腔3、聚光反射鏡4、漫反射微結(jié)構(gòu)單元5、導(dǎo)光管6、準(zhǔn)直光反射鏡7和散熱系統(tǒng)8。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

1）為解決光譜匹配問題，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中l(wèi)ed光源模塊由重復(fù)的單個cob光源模塊組成，該cob光源模塊根據(jù)am1.5太陽光譜曲線，在300nm-400nm，400nm-500nm，500nm-600nm，600nm-700nm，700nm-800nm，800nm-900nm，900nm-1000nm，1000nm-1100nm，各波段內(nèi)分別選擇一種led芯片，共八種不同波長的led芯片集成在一起。通過調(diào)整不同波段內(nèi)對應(yīng)led芯片的光強(qiáng)值，實(shí)現(xiàn)全波段的光譜匹配。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中，位于中間的兩個led芯片的波長依次設(shè)置為600nm-700nm和700nm-800nm。

2）為解決有效輻照面上輻照不均勻度及準(zhǔn)直性的要求，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例是通過依次對cob光源模塊位置排布、準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)、全反射腔設(shè)計(jì)、光強(qiáng)控制、全反射導(dǎo)光柱勻光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及自由曲面反射鏡，即對光路進(jìn)行整體把控，實(shí)現(xiàn)有效輻照面的輻照不均勻度的技術(shù)指標(biāo)要求。具體地，a）采用的八種不同波長的led芯片，排布中間的兩led芯片波長依次在600nm-700nm，700nm-800nm之間；b)準(zhǔn)直透鏡為全反射tir透鏡；c）全反射腔是由上、下兩個拋物面，及中間圓柱反射管組成，其目的在于匯聚cob光源于勻光系統(tǒng)，并提高匯聚效率；d）全反射導(dǎo)光柱勻光系統(tǒng)，前端添加一個漫反射微結(jié)構(gòu)單元，微結(jié)構(gòu)單元的微結(jié)構(gòu)圖形為球形，如圖3所示，目的在于改變勻光系統(tǒng)出光口的光強(qiáng)分布曲線，協(xié)調(diào)進(jìn)一步準(zhǔn)直及均勻性調(diào)控；e）自由曲面的離散點(diǎn)軌跡是依據(jù)勻光系統(tǒng)出光口光強(qiáng)分布曲線，及準(zhǔn)直性限制條件計(jì)算所得。

為了驗(yàn)證優(yōu)選實(shí)施例的可行性，本發(fā)明采用照明設(shè)計(jì)軟件tracepro對該優(yōu)選實(shí)施例照明系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并進(jìn)行光線仿真模擬。仿真過程如下：

1）結(jié)構(gòu)建模，均按優(yōu)選實(shí)施例要求同比例建模，具體仿真結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示；2）材質(zhì)屬性定義；3）按優(yōu)選實(shí)施例中光源排布進(jìn)行光源定義；4）蒙特卡洛光線追跡；5）仿真結(jié)果分析。

為了驗(yàn)證本發(fā)明led太陽光模擬器是否滿足設(shè)計(jì)要求，仿真模型中，在離照明系統(tǒng)0.5米放置一個方形檢測屏，照度結(jié)果及光強(qiáng)隨角度分布曲線如圖5所示，圓形光斑，準(zhǔn)直性≤1o、輻照不均勻度≤2%。

本發(fā)明是通過實(shí)施例來描述的，但并不對本發(fā)明構(gòu)成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開的實(shí)施例的其他變化，如對于本領(lǐng)域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。