您是否需要擔心太陽模擬器的光準直或發射角?

2023-09-27 08:55

您是否需要擔心太陽模擬器的光準直或發射角?

來自太陽的光在到達地球之前會傳播很長的距離,因此大多數光線彼此接近平行(最大角度約為 0.5 度

我們稱這種平行光線為準直光線。如果光線彼此不平行,我們就說它們是非準直的。

我們接收到的大部分陽光都是定向光,這意味著它來自太陽到地面上的某個位置,沒有散射或反射。雖然有一些來自散射和反射源的光,但它只占總陽光的一小部分,正如我們在下圖中比較 AM1.5G(全局,包括直射和間接陽光)和 AM1.5D(僅直射)所看到的那樣。

因為大多數陽光都是直射的,這意味著大部分陽光都是平行的。

圖片41.png

直射陽光 (AM1.5D) 與全球平均陽光 (AM1.5G) 的比較圖。由于絕大多數光譜是直射的,因此我們可以得出結論,大多數陽光都是準直的。

雖然太陽光大部分是準直的,但大多數太陽模擬器的輸出不一定是準直的,并且太陽模擬標準中沒有準直要求。造成這種遺漏的部分原因是對準直的敏感度實際上取決于您要照明的應用和幾何形狀。

G2V 的太陽模擬器具有不同程度的準直。例如,朗伯皮科模型具有朗伯角分布,這意味著發射的光強度隨著入射光角度的余弦而變化。大多數 LED 發出朗伯光,這種光遠未準直,如下圖所示。

G2V 的定向太陽模擬器模型具有近似高斯分布的角度分布,半高全寬 (FWHM) 在 20 到 40 度之間。

朗伯光、定向光和準直光之間的區別如下圖所示。

圖片42.png?


各種光分布在不同入射角發射的光的相對量圖。

對于許多應用來說,這種角度分布的差異對于所研究的基本原理并不重要,因此只要其他太陽模擬器參數(光譜匹配、空間均勻性和時間穩定性)滿足要求,就可以忽略它。

然而,在某些應用中,光的角度分布非常重要,因此了解這些情況非常重要,這樣您才能獲得能夠充分重現您要研究的效果的太陽模擬器。

您可能需要準直光源的情況

如果您用空腔照明樣品,則光源的角度內容將非常重要,因為非準直光源將導致在真實陽光下不會出現的陰影。這個概念如下圖所示。

15.jpg

說明在遮蔽條件下,非準直光源如何導致在真實(準直)陽光下不會出現的陰影。根據應用的不同,可能有一些方法可以補償這種影響。

可能影響準直光需求的另一個概念是菲涅耳反射,每當光照射到兩種材料之間的界面時就會發生菲涅耳反射。從下圖中可以看出,反射光的強度隨著入射角的增加而增加。如果您的入射光具有顯著的角度分量,那么它的很大一部分可能會被簡單地反射,而在準直陽光下,這種情況不會發生相同程度的情況。

圖片43.png

該圖顯示了空氣-玻璃界面 (n=1.5) 的不同光偏振的反射光分數。高入射角的光大部分會被材料反射。

可能需要準直光的另一種情況是太陽傳感器或星跟蹤器。如果您嘗試校準探測器以在幾度的精度內測量太陽或恒星的方向,那么您可能需要一個發出準直光的太陽模擬器,其發散度小于所需的精度。

可能有一些方法可以改變光源的角度分布。在上面給出的陰影示例中,如果您有一個參考電池,可以在相同的陰影條件下安裝,那么您可以增加太陽模擬器的強度,直到在參考電池上獲得所需的無陰影強度,然后使用補償后的強度所有測試的強度。

但是,如果您試圖研究材料行為或對光響應的角度依賴性,那么您可能需要準直太陽模擬器來完全重現現實行為。

將燈的角發射與實驗的角接受相匹配

看待問題的另一種方法是根據實驗的角度接受度。如果您的實驗可以接受并且獨立于較寬的角度范圍,那么任何在該角度范圍內產生光的太陽模擬器都可以完成這項工作,如下圖所示。

圖片44.png?

寬實驗接受窗口的示例,表明任何在該范圍內產生所有光的太陽模擬器都會產生與準直太陽光相同的結果。

另一方面,如果您的實驗僅接受較窄的角度范圍(或者您的實驗行為在該角度范圍之外發生巨大變化),那么您將必須找到發射量在該范圍內的太陽模擬器。

圖片45.png