LED 太阳光模拟器的光学系统设计解析

LED 太阳光模拟器的光学系统设计需通过“光源系统 -聚光镜-光学积分器-准直反射镜”的处理，通过多部件协作模拟太阳辐照，平衡准直性、均匀性与光谱匹配性。光源系统用特定准直透镜将发散角降至2° 内，按AM1.5匹配光谱，聚光镜用抛物面镜减损耗，光学积分器靠反射匀光，准直反射镜出平行光斑。紫创测控Luminbox依托集团近20 年高端检测装备研发经验，已实现 LED、卤素灯、氙灯三大技术路线覆盖，下文将详解LED 太阳光模拟器的光学系统设计。

LED 太阳光模拟器的组成及工作原理

luminbox

LED太阳模拟器光学结构示意图

LED 太阳光模拟器主要由LED光源、小角度准直透镜、抛物面镜、光学积分器等构成。LED 太阳光模拟器工作时，LED光源发出朗伯光经准直透镜后形为平行光束，该光束由抛物面镜会聚后进入光学积分器，发生多次反射，每次反射形成虚拟光源，最终通过多虚拟光源叠加实现光线均匀化；匀光后的光束再经抛物面镜平行出射，在一定距离的测试面上形成均匀辐照面，从迎光方向看像来自“无穷远” 处的太阳，从而模拟太阳光辐照。

光源系统设计

luminbox

1.准直光设计

准直后配光曲线

LED 发出的光线呈朗伯分布，发散角大（半角通常大于 60°），需通过二次配光实现光路准直。设计中采用基于面光源与边缘光线理论的小角度准直透镜，透镜材料选用折射率1.49 的聚甲基丙烯酸甲酯，透光率高、加工成本低。LED 光源通过透镜对光线的折射调控，可将光线发散角（半角）降至 2° 以内。这一设计能确保光线集中入射至光学积分器口径内，显著提升光能利用率，为后续匀光与准直奠定基础。

2.光谱设计

光谱匹配性是模拟自然光的核心指标，需依据AM1.5标准太阳光谱，进行LED 芯片选型与组合。设计中覆盖 300nm~1100nm 光谱范围，在 8 个关键波段（300~400nm、400~500nm、500~600nm、600~700nm、700~800nm、800~900nm、900~1000nm、1000~1100nm）分别选取单波段 LED 芯片，以阵列形式排布于基板。通过精准调控各波段LED 芯片的驱动电流与光强输出，可实现与AM1.5 光谱的高相似度匹配，满足不同应用场景对光谱的需求。

聚光镜设计

luminbox

抛物面镜聚光模拟

聚光镜采用抛物面镜，其光学特性为：平行于对称轴的光线经反射后都可汇聚于单一焦点，且无几何像差，同时满足光路可逆性（焦点处光源发出的光线经反射后可形成平行光）。设计参数需与准直透镜阵列匹配，确保准直透镜输出的平行光可高效汇聚至焦点位置，而焦点处恰好对应后续匀光部件的输入端口，最大化减少光能损耗。

光学积分器设计

luminbox

光学积分器作为核心匀光部件，通过光线在其内壁的多次全反射，将汇聚后的非均匀光线转化为均匀光束。其匀光原理为：入射光线在混光棒内壁反射时，会形成多个“虚拟光源”，最终通过多虚拟光源的叠加实现出射光的均匀化。设计中需重点考虑三个参数：一是截面形状，正方形或正六边形截面可实现更高的照明均匀性；二是长度，过长会导致光能损耗增加，过短则匀光不充分；三是入射光空间和角度分布。

准直反射镜的设计

luminbox

经光学积分器匀光后的光线虽均匀性优异，但需通过准直反射镜实现大尺寸光斑的平行输出。虽然太阳光模拟器的成像系统并不以提高成像质量为目的，但是大的像差会降低太阳模拟系统辐照面的光能利用率。因此设计中可采用抛物面镜来进行准直，把抛物面镜顶端打通，将光学积分器的输出端口放在抛物面焦点位置。

综上，LED 太阳光模拟器的光学系统设计是各核心部件精准协同的工程：光源系统通过准直透镜降发散角、多波段芯片匹配AM1.5 光谱，聚光镜衔接焦点减少光能损耗，光学积分器以合理参数保障匀光效果，准直反射镜最终实现大尺寸平行光斑输出，每一环均紧扣“高效传光、精准模拟” 目标，为相关领域的实验研究与技术创新提供设备基础。

Luminbox大面积LED太阳模拟器

luminbox

紫创测控Luminbox全光谱大面积LED太阳模拟器以A+AA+综合性能，实现辐照均匀、光谱精准与运行稳定的三重突破，通过权威认证，为材料测试提供高可靠、标准化的全光谱光照解决方案，推动光催化活性测试迈向更高精度与可重复性。

A+级光谱匹配：300-1200 nm全覆盖，误差≤1%（IEC标准）。

高均匀辐照：45cm×45cm区域不均匀度仅1.8%（A级）。

超稳运行：20分钟波动≤0.5%（A+级）。

权威认证：国家计量院校准，国际标准合规。

工业级设计：适配光伏、材料、光催化等多场景。

紫创测控Luminbox凭借对光谱匹配度、辐照均匀性等核心指标的极致追求，已构建起覆盖LED/氙灯/卤素灯全技术路线的产品矩阵，技术持续创新、关键性能指标表现出色，为客户提供了优质的产品和全场景太阳光环境模拟解决方案。