Analyse de la conception du système optique des simulateurs solaires LED

La conception du système optique du simulateur solaire à LED doit passer par le traitement de “système de source lumineuse – condenseur – intégrateur optique – miroir collimateur”. Grâce à la collaboration de plusieurs composants, il simule l'irradiation solaire et équilibre la collimation, uniformité et correspondance spectrale. Le système de source lumineuse utilise une lentille collimatrice spécifique pour réduire l'angle de divergence à 2° près et correspond au spectre selon AM1.5.. Le condenseur utilise un miroir parabolique pour réduire les pertes, l'intégrateur optique utilise la réflexion pour uniformiser la lumière, et le miroir collimateur émet une tache lumineuse parallèle. S'appuyant sur la quasi-totalité du groupe 20 années d'expérience dans la recherche et le développement d'équipements de test haut de gamme, La Luminbox de Zicuang Measurement and Control a couvert trois itinéraires techniques: DIRIGÉ, lampes halogènes, et lampes au xénon. Le texte suivant détaillera la conception du système optique du simulateur solaire à LED.
La composition et le principe de fonctionnement du simulateur solaire LED

1_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
Schéma de principe de la structure optique du simulateur solaire LED
Le simulateur solaire LED est principalement composé d'une source de lumière LED, lentille collimatrice petit angle, miroir parabolique, intégrateur optique et ainsi de suite. Quand le simulateur solaire LED fonctionne, la lumière lambertienne émise par la source lumineuse LED est transformée en un faisceau lumineux parallèle après avoir traversé la lentille collimatrice. Ce faisceau lumineux converge vers le miroir parabolique et entre dans l'intégrateur optique, où de multiples réflexions se produisent. Chaque réflexion forme une source de lumière virtuelle, et la lumière uniforme est finalement obtenue grâce à la superposition de plusieurs sources de lumière virtuelles. Le faisceau lumineux uniforme sort ensuite en parallèle à travers le miroir parabolique et forme une surface d'irradiation uniforme sur la surface d'essai à une certaine distance.. Vu depuis la direction de la lumière incidente, il semble que cela vienne du “distance infinie” du soleil, simulant ainsi l'irradiation solaire.
Conception du système de source lumineuse

Conception de lumière collimatée
Courbe de post-distribution collimatée de 2_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
La lumière émise par la LED suit une distribution lambertienne et présente un grand angle de divergence (le demi-angle est généralement supérieur à 60°), nécessitant ainsi une distribution optique secondaire pour réaliser une collimation du trajet lumineux. Dans la conception, une lentille collimatrice à petit angle basée sur la théorie des sources lumineuses de surface et des rayons marginaux est adoptée. Le matériau de la lentille est en polyméthacrylate de méthyle avec un indice de réfraction de 1.49, qui a une transmission lumineuse élevée et un faible coût de traitement. Grâce à la régulation de la réfraction de la lumière par la lentille, l'angle de divergence (demi-angle) de la lumière peut être réduite à 2° près. Cette conception garantit que la lumière est concentrée dans l'ouverture de l'intégrateur optique., améliorant considérablement le taux d'utilisation de l'énergie lumineuse et jetant les bases d'une distribution et d'une collimation uniformes de la lumière ultérieures.

2. Conception spectrale
La correspondance spectrale est l'indicateur principal pour simuler la lumière naturelle. La sélection et la combinaison des puces LED doivent être basées sur le spectre solaire standard AM1.5. La conception couvre la plage spectrale de 300 nm à 1 100 nm, et les puces LED à bande unique sont sélectionnées dans huit bandes clés (300-400nm, 400-500nm, 500-600nm, 600-700nm, 700-800nm, 800-900nm, 900-1000nm, 1000-1100nm) et disposés en réseau sur le substrat. En contrôlant avec précision le courant de commande et l'intensité lumineuse des puces LED de chaque bande, une correspondance élevée avec le spectre AM1.5 peut être obtenue, répondant aux exigences spectrales de différents scénarios d’application.
Conception de lentille à condensateur

3_upscayl_3x_high-fidelity-4x.png
Simulation de concentration en miroir parabolique
Le condenseur adopte un miroir parabolique, dont les caractéristiques optiques sont les suivantes: rayons lumineux parallèles à l'axe de symétrie, après réflexion, peuvent tous converger vers un seul foyer sans aberration géométrique, et il satisfait également à la réversibilité du chemin optique (les rayons lumineux émis par le foyer peuvent former une lumière parallèle après réflexion). Les paramètres de conception doivent être adaptés au réseau de lentilles de collimation pour garantir que la lumière parallèle émise par la lentille de collimation peut converger efficacement vers la position de mise au point., et la position de mise au point correspond précisément au port d'entrée du composant d'homogénéisation de la lumière ultérieur, minimiser la perte d'énergie lumineuse.

Conception d'intégrateur optique

En tant que composant de lumière uniforme de base, l'intégrateur optique convertit la lumière non uniforme après convergence en un faisceau uniforme grâce à de multiples réflexions totales sur ses parois internes. Le principe de sa lumière uniforme est que lorsque la lumière incidente est réfléchie sur la paroi interne de la tige de mélange de lumière, multiple “sources de lumière virtuelles” sont formés, et l'uniformité de la lumière émise est finalement obtenue grâce à la superposition de plusieurs sources de lumière virtuelles. Dans la conception, trois paramètres doivent être pris en compte: d'abord, la forme de la section transversale, une section transversale carrée ou hexagonale régulière peut obtenir une plus grande uniformité d'éclairage; deuxième, la longueur, trop longtemps entraînera une perte d’énergie lumineuse accrue, et trop court entraînera une lumière uniforme insuffisante; troisième, la répartition spatiale et angulaire de la lumière incidente.
La conception du réflecteur collimateur

Bien que la lumière après avoir été homogénéisée par l'intégrateur optique présente une excellente uniformité, il doit passer à travers un miroir collimateur pour obtenir une sortie parallèle d'un point lumineux de grande taille. Bien que le système d'imagerie du simulateur solaire ne vise pas à améliorer la qualité de l'imagerie, de grandes aberrations réduiront le taux d'utilisation de l'énergie lumineuse de la surface d'irradiation du système de simulation solaire. Donc, dans la conception, un miroir parabolique peut être utilisé pour la collimation. Le haut du miroir parabolique est ouvert, et le port de sortie de l'intégrateur optique est placé au foyer du miroir parabolique.
En résumé, la conception du système optique du simulateur solaire à LED est un projet d'ingénierie qui nécessite une coordination précise entre tous les composants principaux: Le système de source lumineuse réduit l'angle de divergence grâce à une lentille collimatrice, et les puces multibandes correspondent au spectre AM1.5. La lentille condensatrice connecte la mise au point pour réduire la perte d'énergie lumineuse. L'intégrateur optique assure une distribution uniforme de la lumière avec des paramètres raisonnables. Le réflecteur collimateur permet finalement d'obtenir un spot lumineux parallèle de grande taille.. Chaque lien adhère étroitement à l'objectif de “transmission efficace de la lumière et simulation précise”, fournir un soutien en matière d'équipement pour la recherche expérimentale et l'innovation technologique dans des domaines connexes.

Module PCB de simulateur solaire LED pour grande surface Heyi

Le simulateur solaire LED Heyi à spectre complet et grande surface de Heyi Measurement and Control réalise une triple avancée en matière d'irradiation uniforme, spectre précis et fonctionnement stable avec des performances complètes A+AA+. Il a passé une certification faisant autorité et fournit une solution d'éclairage à spectre complet hautement fiable et standardisée pour les tests de matériaux., promouvoir l’avancement des tests d’activité photocatalytique vers une plus grande précision et répétabilité.