穩(wěn)態(tài)太陽模擬器用于測試電子硬件和半導(dǎo)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(rèn)可的消費(fèi)電子量身定制了該太陽模擬器。該太陽模擬器將在其研發(fā)中心用于測試電子硬件和半導(dǎo)體。

該系統(tǒng)發(fā)射的紅外波長在700-1100nm范圍內(nèi)，并在1個太陽強(qiáng)度下照射1.0 x 1.0 m²和1.5 x 1.5 m²的目標(biāo)區(qū)域。下表總結(jié)了客戶的要求：

目標(biāo)區(qū)域：照明1.5 x 1.5m²

頻譜：*（ASTM E927）

波長范圍：700nm至1100nm

強(qiáng)度：相當(dāng)于700 nm至1100 nm范圍內(nèi)的1個太陽輻照度

均勻度：1 x 1 m²：±10％（ASTM E927）

1.5 x 1.5m²：±30％（ASTM E927）

景深：±15cm，變化≤±5％（ASTM E927）

衰減：10級，從0.1太陽到1.0太陽

時間不穩(wěn)定性：*（ASTM E927）

啟動：≤15秒

復(fù)雜的技術(shù)要求

●需要使用太陽模擬器將太陽光譜與700 nm至1100 nm的近紅外區(qū)域中的A類光譜匹配進(jìn)行匹配。

●需要光學(xué)系統(tǒng)在相對較大的3維體積（1.5×1.5 x 0.5 m3）上產(chǎn)生均勻的光場。

●實(shí)驗(yàn)室空間的限制是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額外限制。

●客戶要求光線從偏軸角度照亮垂直目標(biāo)平面。這是由于其內(nèi)部設(shè)置需要在目標(biāo)平面正前方的自由空間。使光線傾斜是直觀的解決方案。

●需要科學(xué)技術(shù)的工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行廣泛的研究和開發(fā)，以從請求的離軸角度照亮目標(biāo)平面，同時仍保持三維體積均勻性。

●必須配置和確定實(shí)現(xiàn)所需光譜形狀的適當(dāng)光源，光學(xué)設(shè)置和濾波方案。

●考慮到要放置的房間的限制，還需要太陽能模擬器系統(tǒng)來維持整體溫度。

●另外，客戶要求限制聲級，這需要進(jìn)行額外的測試和重新設(shè)計(jì)工作，其中涉及太陽模擬器系統(tǒng)的內(nèi)部工作。

●必需的輸出輻照度必須逐步降低至大功率輸出的10％。需要進(jìn)一步的重新設(shè)計(jì)和研究以實(shí)現(xiàn)光源的衰減同時保持均勻性。

●穩(wěn)態(tài)太陽模擬器用于測試電子硬件和半導(dǎo)體

構(gòu)思和設(shè)計(jì)系統(tǒng)

當(dāng)光源的光軸垂直于目標(biāo)平面時，目標(biāo)平面的所有邊緣都具有對稱性。此屬性用于所有標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器的設(shè)計(jì)中，以生成空間均勻的光場。

標(biāo)準(zhǔn)的太陽模擬器產(chǎn)生垂直于光源光軸的空間均勻的目標(biāo)平面。當(dāng)光源的光軸垂直于目標(biāo)平面時，目標(biāo)平面的所有邊緣都具有對稱性。當(dāng)可以使用這種對稱性時，更容易實(shí)現(xiàn)空間均勻性。根據(jù)客戶要求，需要將太陽模擬器放置在與目標(biāo)平面光軸大約30°的位置。因此，需要通過研究和開發(fā)新的光學(xué)均質(zhì)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)空間均勻性。

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光線追蹤模型

預(yù)計(jì)將要制造的投影儀單元的模擬模型

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，排列了一個包含多個投影儀系統(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，制作了一個特殊的軟件來模擬終的光譜輪廓。選擇并評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，對項(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。

對單個投影機(jī)進(jìn)行測試以評估均勻性和穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步測試，開發(fā)了用于測量三維空間均勻性的模擬光柵。

ii）測試系統(tǒng)的耐用性

進(jìn)行了耐溫測試，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

八個投影儀單元用于所需目標(biāo)區(qū)域的設(shè)計(jì)和照明。每個光學(xué)投影儀單元都由一個2 kW QTH燈組成，該燈帶有一個固定在橢圓形反射鏡中的石英外殼。每個單元還包含一個均質(zhì)組件，以實(shí)現(xiàn)所需的均勻性要求。在精心設(shè)計(jì)和微調(diào)系統(tǒng)后，成功實(shí)現(xiàn)了空間均勻性規(guī)范。

此外，QTH燈系統(tǒng)還集成了物鏡和投影透鏡，以及用于消除不想要的波長范圍的長通濾光鏡。

在整個三維體積上，光功率足以在700-1100nm區(qū)域中達(dá)到所需的功率水平。當(dāng)測量700nm-1100nm光譜輸出時，系統(tǒng)在目標(biāo)平面上提供了所需的輻照度（ASTM E927）。光譜輸出的形狀與700-1100nm波長的ASTM AM1.5G曲線匹配。工作距離也被設(shè)置為可調(diào)的，以適應(yīng)兩種不同的焦距。

設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一種廉價(jià)的光學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的空間均勻性，光譜和光功率。使用風(fēng)扇將光學(xué)元件和濾光片充分冷卻。該系統(tǒng)能夠以10％的增量衰減輸出輻照度，同時保持輸出光的空間均勻性。

測試與安裝

該系統(tǒng)已成功完成，并且由科學(xué)技術(shù)工程師在客戶實(shí)驗(yàn)室所在地進(jìn)行了安裝和培訓(xùn)。

終的太陽模擬器系統(tǒng)可照亮1.5m x 1.5m的目標(biāo)區(qū)域