LED 太陽光模擬器的光學系統設計需通過“光源系統 -聚光鏡-光學積分器-準直反射鏡”的處理，通過多部件協作模擬太陽輻照，平衡準直性、均勻性與光譜匹配性。光源系統用特定準直透鏡將發散角降至2° 內，按AM1.5匹配光譜，聚光鏡用拋物面鏡減損耗，光學積分器靠反射勻光，準直反射鏡出平行光斑。紫創測控Luminbox依托集團近20 年高端檢測裝備研發經驗，已實現 LED、鹵素燈、氙燈三大技術路線覆蓋，下文將詳解LED 太陽光模擬器的光學系統設計。

LED 太陽光模擬器的組成及工作原理

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LED太陽模擬器光學結構示意圖

LED 太陽光模擬器主要由LED光源、小角度準直透鏡、拋物面鏡、光學積分器等構成。LED 太陽光模擬器工作時，LED光源發出朗伯光經準直透鏡后形為平行光束，該光束由拋物面鏡會聚后進入光學積分器，發生多次反射，每次反射形成虛擬光源，最終通過多虛擬光源疊加實現光線均勻化；勻光后的光束再經拋物面鏡平行出射，在一定距離的測試面上形成均勻輻照面，從迎光方向看像來自“無窮遠” 處的太陽，從而模擬太陽光輻照。

光源系統設計

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1.準直光設計

準直后配光曲線

LED 發出的光線呈朗伯分布，發散角大（半角通常大于 60°），需通過二次配光實現光路準直。設計中采用基于面光源與邊緣光線理論的小角度準直透鏡，透鏡材料選用折射率1.49 的聚甲基丙烯酸甲酯，透光率高、加工成本低。LED 光源通過透鏡對光線的折射調控，可將光線發散角（半角）降至 2° 以內。這一設計能確保光線集中入射至光學積分器口徑內，顯著提升光能利用率，為后續勻光與準直奠定基礎。

2.光譜設計

光譜匹配性是模擬自然光的核心指標，需依據AM1.5標準太陽光譜，進行LED 芯片選型與組合。設計中覆蓋 300nm~1100nm 光譜范圍，在 8 個關鍵波段（300~400nm、400~500nm、500~600nm、600~700nm、700~800nm、800~900nm、900~1000nm、1000~1100nm）分別選取單波段 LED 芯片，以陣列形式排布于基板。通過精準調控各波段LED 芯片的驅動電流與光強輸出，可實現與AM1.5 光譜的高相似度匹配，滿足不同應用場景對光譜的需求。

聚光鏡設計

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拋物面鏡聚光模擬

聚光鏡采用拋物面鏡，其光學特性為：平行于對稱軸的光線經反射后都可匯聚于單一焦點，且無幾何像差，同時滿足光路可逆性（焦點處光源發出的光線經反射后可形成平行光）。設計參數需與準直透鏡陣列匹配，確保準直透鏡輸出的平行光可高效匯聚至焦點位置，而焦點處恰好對應后續勻光部件的輸入端口，最大化減少光能損耗。

光學積分器設計

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光學積分器作為核心勻光部件，通過光線在其內壁的多次全反射，將匯聚后的非均勻光線轉化為均勻光束。其勻光原理為：入射光線在混光棒內壁反射時，會形成多個“虛擬光源”，最終通過多虛擬光源的疊加實現出射光的均勻化。設計中需重點考慮三個參數：一是截面形狀，正方形或正六邊形截面可實現更高的照明均勻性；二是長度，過長會導致光能損耗增加，過短則勻光不充分；三是入射光空間和角度分布。

準直反射鏡的設計

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經光學積分器勻光后的光線雖均勻性優異，但需通過準直反射鏡實現大尺寸光斑的平行輸出。雖然太陽光模擬器的成像系統并不以提高成像質量為目的，但是大的像差會降低太陽模擬系統輻照面的光能利用率。因此設計中可采用拋物面鏡來進行準直，把拋物面鏡頂端打通，將光學積分器的輸出端口放在拋物面焦點位置。

綜上，LED 太陽光模擬器的光學系統設計是各核心部件精準協同的工程：光源系統通過準直透鏡降發散角、多波段芯片匹配AM1.5 光譜，聚光鏡銜接焦點減少光能損耗，光學積分器以合理參數保障勻光效果，準直反射鏡最終實現大尺寸平行光斑輸出，每一環均緊扣“高效傳光、精準模擬” 目標，為相關領域的實驗研究與技術創新提供設備基礎。

Luminbox大面積LED太陽模擬器

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紫創測控Luminbox全光譜大面積LED太陽模擬器以A+AA+綜合性能，實現輻照均勻、光譜精準與運行穩定的三重突破，通過權威認證，為材料測試提供高可靠、標準化的全光譜光照解決方案，推動光催化活性測試邁向更高精度與可重復性。

A+級光譜匹配：300-1200 nm全覆蓋，誤差≤1%（IEC標準）。

高均勻輻照：45cm×45cm區域不均勻度僅1.8%（A級）。

超穩運行：20分鐘波動≤0.5%（A+級）。

權威認證：國家計量院校準，國際標準合規。

工業級設計：適配光伏、材料、光催化等多場景。

紫創測控Luminbox憑借對光譜匹配度、輻照均勻性等核心指標的極致追求，已構建起覆蓋LED/氙燈/鹵素燈全技術路線的產品矩陣，技術持續創新、關鍵性能指標表現出色，為客戶提供了優質的產品和全場景太陽光環境模擬解決方案。