專利名稱：一種多鏡和多光纖耦合的太陽光模擬器光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多鏡和多光纖耦合的太陽光模 擬器光源。
背景技術(shù)：
在綠色太陽能等領(lǐng)域，各種光電轉(zhuǎn)化和光熱轉(zhuǎn)化器件的研制和應(yīng)用都需要在人工 實驗環(huán)境中模擬產(chǎn)生太陽光的輻射光譜，高效率提供從紅外到紫外的寬廣光譜太陽光模擬 光源。所模擬和采用的各種光源一般都具有較大的立體發(fā)光張角，然而，雖然經(jīng)過長期努 力，研究并采用不同結(jié)構(gòu)的光源采集系統(tǒng)，如采用不同焦距的單透鏡采光、或采用橢球型、 拋物型等聚焦反射鏡采光，使得光源的采集效率有所提高，但由于這些光源采集器件不可 能覆蓋光源發(fā)光的全立體角，從光源立體張角內(nèi)發(fā)出的光仍有相當(dāng)大部分不能被有效收 集，而被浪費了，這是長期未解決的技術(shù)困難。例如，采用單透鏡或單反射鏡聚光器件，僅與 透鏡和反射鏡面積相對應(yīng)部分的光被采集到；采用橢球型或拋物型等聚焦反射鏡，匯聚在 焦點上的光僅沿其前端出射方向的那部分光被利用，其余未被聚焦和沿后端出射的光都被 浪費了。由于按上述常規(guī)方法設(shè)計的太陽光模擬器對光源能量的損失較大，為了模擬太陽 光滿足較高的光功率輸出，必須采用很大功率的光源，如需要采用功率超過1000瓦的燈， 但大功率燈的發(fā)光體的體積和面積都較大，并非是理想的點光源。因此，通過按點光源特征 設(shè)計的透射和反射鏡光學(xué)系統(tǒng)將難以獲得均勻分布和低發(fā)散角的模擬太陽光輸出特性。因 此，在實際應(yīng)用中，為獲得均勻和低發(fā)散角輸出的模擬太陽光源，不得外加光闌，顯著縮小 通光孔徑，實際是縮小發(fā)光體的有效尺寸，滿足理想點光源的光學(xué)原理等條件，但卻以浪費 更多的光功率和能量為代價。而為了獲得大功率和大面積的均勻低發(fā)散角輸出的模擬太陽 光，必須進一步增加燈的功率，也相應(yīng)增大了燈的發(fā)光體尺寸，但受到有效發(fā)光體尺寸效應(yīng) 的限制，太陽模擬器的有效光輸出功率并不與燈功率成正比，卻顯著增加了系統(tǒng)的發(fā)熱量， 這是一種很低效率的太陽光模擬器應(yīng)用模式。因此，設(shè)計一種多鏡和多光纖偶合的太陽光模擬器光源，能夠最大效率地采集到 光源在發(fā)光立體角內(nèi)的光，將能夠顯著提高光的輸出功率，提高光源的利用效率，即在獲得 同等光輸出功率的條件下，可采用較小的發(fā)光功率；或在同等發(fā)光功率條件下，可獲得較 高的光輸出功率降低功耗。由于采用了較小功率的發(fā)光器件，所用的光源的發(fā)光體尺寸較 小，接近理想點光源條件，能避免因采用光闌帶來的光強損失而滿足輸出均勻分布的低發(fā) 散角模擬太陽光的應(yīng)用條件，從而顯著提高了光的利用率和效率，可滿足在太陽能領(lǐng)域和 其它光電子領(lǐng)域的應(yīng)用需求。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將有可能采用多鏡組合與光纖耦合的方法，與光源 的發(fā)光張角相匹配，最大限度地將光源發(fā)出來的光進行收集，有效光輸出功率將大于傳統(tǒng) 太陽光模擬器光源器件4倍，甚至更高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種多鏡組合和多光纖耦合的太陽光模擬器件光源，能夠 在與多種類光源，如鎢燈、汞燈、氙燈、鹵素?zé)簟㈦疅?、硅棒燈、黑體輻射燈等光源的發(fā)光張角 相匹配，實現(xiàn)高效率的光功率輸出，組合鏡和光纖耦合的器件的有效光輸出功率大于傳統(tǒng) 光源采集器件4倍，甚至更高。本發(fā)明設(shè)計的高效率光功率輸出器件，是一種多鏡頭(透鏡和/或反射鏡組合)和 多光纖耦合的光源采集器件，是對通常采用單透鏡或單反射聚焦鏡等光源采集器件結(jié)構(gòu) 的改進。在設(shè)計中，采用總數(shù)為η (η ^ 4)個鏡頭(透鏡和/或反射鏡)，將η個鏡頭分成 k(k> 1)層，每層有c (c ^ 4)個鏡頭，這η個鏡頭組合的每一層鏡頭通過透射和反射 圍繞發(fā)光源作排列，光源均被置于各鏡頭的焦點上。在光源發(fā)光立體角中發(fā)出的光被η個 鏡頭采集和聚焦，由各鏡頭采集的光分別被耦合進光纖，光纖的總數(shù)為m(m ^ 4)。最后從集 成光纖中將光輸出。由于采用了 η (η彡c)個鏡頭的組合，在中心層的鏡頭數(shù)目c彡4，集 成光輸出功率將是傳統(tǒng)單透鏡或單反射鏡器件> 4倍。在器件設(shè)計中，按光源的波長工作區(qū)，可選用不同的鏡頭和光纖材料。如在可見光 譜區(qū)，可選用光學(xué)玻璃或塑料作透鏡和光纖材料，采用鋁膜作反射鏡材料；在近紅外至近紫 外光譜區(qū)，可選用熔石英作透鏡和光纖材料，以及采用鋁膜作反射鏡材料；在中遠紅外光譜 區(qū)，可選用ZnSe、Si、Ge等半導(dǎo)體透鏡材料，采用金屬/介質(zhì)耦合的光纖器件，采用金膜作反 射鏡材料。鏡頭(透鏡和反射鏡)有兩個焦距，分別記為Π和f2。光源被置于鏡頭的Π焦點 上，具有與鏡頭f2焦距相匹配孔徑的光纖被置于鏡頭的另一焦點f2上。以全透鏡組合的實施方案為例，中心層的組合透鏡結(jié)構(gòu)為以光源為圓心(也是透 鏡1的焦點)，沿光源中心徑向最強發(fā)光方向，在半徑為fl (fl為透鏡的光源采集焦距)的 圓周長度L (L=2 π 位置，分別排列直徑為d的Cl個透鏡，滿足cl=L/d的關(guān)系。其它旁側(cè)層的組合透鏡結(jié)構(gòu)為與中心透鏡層構(gòu)成的圓周面平行，在沿中心層平 面法線方向以及相距中心層+/-d的位置，采用與中心層相同的方式排列第二和第三旁側(cè) 透鏡層，每層為C2個透鏡，焦距為fl，直徑為d。總的透鏡層數(shù)為k (k = 3),取決于光 源的最大光發(fā)射張角。因此，在設(shè)計中，取中心層kl層的透鏡數(shù)Cl = 8，上下旁側(cè)層k2和k3層的透鏡數(shù) c2=c3=4,因此，總透鏡數(shù)η = 16。雖然偏離中心發(fā)光層+/_d位置的光強有所減弱，總采集 到光的輸出功率P并不與透鏡總數(shù)成比例，如設(shè)單一透鏡的光輸出功率為W，則P= Iff, 式中ξ為功率增強因子，cl < ξ < η，當(dāng)取cl=8和n=16值時，功率增強因子ξ的值 約在8和16之間，至少可使光的輸出功率提高8倍，實際可超過10倍。因此，采用此方案，按功率增強因子ξ = 13計算，采用75瓦的燈即獲得大于1000 瓦燈的光功率輸出。由于小功率燈的發(fā)光體尺寸較小，更接近理想點光源條件，將能夠在較 低的功耗下獲得更接近理想均勻分布低發(fā)散角的優(yōu)質(zhì)太陽模擬器光源特性，具有更高的有 效光源利用率。


圖1.本發(fā)明的太陽光模擬器光源中心層kl層結(jié)構(gòu)的俯視圖，8個透鏡(Cl=S)圍
4繞光源均勻分布，在360度的經(jīng)向空間對光源進行高效率收集。圖2.本發(fā)明的太陽光模擬器光源三層透鏡組合結(jié)構(gòu)的截面圖，上下旁側(cè)層k2和 k3層的透鏡數(shù)c2=c3=4，在約110度的緯度方向內(nèi)對光源進行高效率收集。圖3.本發(fā)明的太陽光模擬器光源的光源、透鏡與光纖的耦合光路示意圖，光源 的弧長尺寸為1.3mm，透鏡直徑為30mm，焦距fl=30mm，焦距f2=150mm，光纖的直徑為 1. 5mm,光纖的數(shù)值孔徑為0. 22，可實現(xiàn)最佳效率的光傳輸耦合。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施方案對本發(fā)明設(shè)計作進一步的說明。如圖1-3所示。本發(fā)明設(shè)計的多鏡頭(透鏡和反射鏡組合)和多光纖耦合的光源采 集器件的具體實施方式
如下(以全透鏡組合與光纖的耦合為例)
1.光源采用可覆蓋從近紅外到近紫外(200 — IOOOnm波長)光譜區(qū)的75瓦高壓弧 光氙燈作為光源，發(fā)光的弧長約1. 3mm。2.采用熔石英透鏡，直徑d=30mm，(也可采用30x30mm的矩形透鏡)，焦距 f!=SOmm, f2=150mmo3.采用k=3層組合透鏡。中心層kl的透鏡數(shù)c 1=8，上下旁側(cè)層k2和k3層的透 鏡數(shù)c2=c3=4，透鏡總數(shù)n=cl+c2+c3=16個透鏡。沿光源中心徑向發(fā)光最強的方向，在距光 源中心半徑為30mm的圓周位置，周長為188. 4mm,將中心層kl層的8個透鏡沿周長均勻排 列，8個透鏡沿圓周構(gòu)成的總長度為180mm。光源置于每個透鏡的焦點上。與中心透鏡層構(gòu) 成的圓周面平行，在沿中心層平面法線方向以及相距中心層+/-d的位置上，采用與中心透 鏡層相同的方式，分別排列成第二和第三旁側(cè)透鏡層的k2和k3層，每層的透鏡數(shù)c2=c3 = 4。由這樣3層n=16個透鏡構(gòu)成的光源采集器件，沿經(jīng)度方向光的采集角接近360度，而沿 緯度方向光的采集角大于110度，顯著提高了光源的采集效率。4.與弧長為1. 3mm的光源發(fā)光體尺寸相匹配，采用工作于200 — IOOOnm波長區(qū) 的16根熔石英光纖，光導(dǎo)有效直徑約為1. 5mm，外徑約為1. 6mm，數(shù)值孔徑為0. 22，將石英光 纖的進光端置于每個透鏡的f2焦點上，由光源發(fā)出的光，經(jīng)每個透鏡收集后將被高效率耦 合進各光纖中。5.將16根光纖的另一端熔融耦合在一起，其輸出被耦合進另一根直徑為1. 5mm 的光纖，通過光學(xué)系統(tǒng)，輸出接近理想均勻分布和低發(fā)散角的高品質(zhì)太陽光模擬光源，供不 同領(lǐng)域的用戶使用。由于采用了 16個鏡頭組合與1.5mm直徑光纖耦合的太陽光模擬器，發(fā)光弧長為 1. 3mm的75瓦氙燈實際輸出的均勻分布低發(fā)散角的有效光功率將可超過1000瓦氙燈的光 功率輸出，從而顯著提高了效率，節(jié)省了能源。在本方案中，還可采用透鏡和反射鏡的適當(dāng)組合，如圍繞光源對稱分布有兩個透 鏡，其中與的1個透鏡可用具有相同焦距的反射鏡代替，由反射鏡反射的光被聚集后按原 路返回，從另一透鏡出射，與光纖耦合。因此，在透鏡和反射鏡適當(dāng)組合的本方案中，可采用 圍繞光源對稱分布的8個透鏡和8個反射鏡組合方式，與8根光纖耦合，實現(xiàn)高效率的模擬 太陽光采集和輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種太陽光模擬器光源，其特征在于由n個鏡頭組合，光源，以及光纖耦合系統(tǒng)組成，n≥4；n個鏡頭圍繞光源作k層組合排列，k≥1，每層有c個鏡頭，c≥4；光源被置于組合鏡頭的焦點上；n個鏡頭分別將位于焦點位置的光源發(fā)出的光進行收集，聚焦，并耦合進光纖系統(tǒng)，光纖根數(shù)為m，m≥4；最后光從集成光纖中輸出；其中，鏡頭包括透鏡和/或反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光模擬器光源，其特征在于在可見光譜區(qū)，采用光學(xué)玻璃或塑料作透鏡和光纖材料，采用鋁膜作反射鏡材料；在近 紅外至近紫外光譜區(qū)，采用熔石英作透鏡和光纖材料，采用鋁膜作反射鏡材料；在中遠紅外 光譜區(qū)，采用ZnSe、Si或Ge半導(dǎo)體作透鏡材料，采用金屬/介質(zhì)耦合的光纖器件材料，采用 金膜作反射鏡材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光模擬器光源，其特征在于設(shè)鏡頭有兩個焦距，分別記 為fl和f2，光源被置于鏡頭的fl焦點上，具有與鏡頭f2焦距相匹配孔徑的光纖被置于鏡 頭的另一焦點f2上。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種多鏡和多光纖耦合的太陽光模擬器光源。本發(fā)明利用點光源發(fā)光在立體空間具有較寬發(fā)光張角的特點，采用多透鏡和反射鏡組合和光纖耦合的方式，在光源的空間發(fā)光張角范圍內(nèi)，實現(xiàn)光源能量的高效率利用和輸出，是一種新型的太陽光模擬器件，可在綠色能源等領(lǐng)域獲得實際應(yīng)用。
文檔編號F21V19/00GK101975358SQ20101029186
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者楊月梅, 鄭玉祥, 陳劍科, 陳良堯 申請人:復(fù)旦大學(xué)