聚光太陽光模擬器與常規太陽光模擬器的技術差異是：其以高光譜匹配性的氙燈點光源為核心；依托橢球面反射鏡實現光能高效匯聚，直接突破常規設備的輻照度瓶頸；更通過透鏡陣列與準直鏡組合，針對性解決傳統模擬光場的 “熱點” 并提升準直度，最終構建 “高輻照度- 高均勻性 - 高平行度” 的模擬體系。原理核心是借助光源與光學系統協同作用，可拆解為光源、聚光系統、均勻化與準直系統三部分，下文紫創測控Luminbox將詳解各模塊功能與工作原理。

聚光太陽光模擬器的原理

luminbox

聚光太陽光模擬器的原理是通過光學元件（如反射鏡或透鏡）將光源發出的光線聚焦到一個小的區域上，從而產生高亮度、高溫的模擬太陽光。其核心在于控制光源的模擬光譜、輻射強度和均勻性，以滿足不同應用場景的需求。目前主流設備以氙燈光源為核心，搭配聚光鏡、反射鏡及光學積分器，形成高通量、高集中度的光輸出鏈路，原理可拆解為光源、聚光系統、均勻化與準直系統三個核心部分。

1.光源

氙燈配光曲線圖

氙燈是聚光太陽光模擬器最常用的光源。其優勢體現在兩方面：

光譜匹配性：氙燈在可見光至近紅外波段的光譜分布與自然太陽光高度重合，可覆蓋多數應用場景對光譜的需求；

點光源特性：氙燈發光區域集中，屬于高亮度點光源，能被后續光學系統以高效率收集并匯聚。

2.聚光系統

使用橢球面反射鏡的太陽模擬器的輻照分布

聚光系統的核心目標是最大化收集光源發出的光能，減少光能損耗；并將其定向匯聚至指定區域，是實現高輻照度的關鍵。

核心元件：橢球面反射鏡是當前最主流的選擇，其幾何特性決定了高效匯聚能力；

工作原理：橢球面存在兩個物理焦點，將氙燈的點光源精準定位在第一個焦點（物焦點）處，根據橢球面的光學反射定律，從物焦點發出的任意光線經鏡面反射后，都會精準匯聚至第二個焦點（像焦點），從而實現光能的定向、高效匯聚。

3.均勻化與準直系統（光學積分器）

經橢球面反射鏡匯聚的光場雖能達到高輻照度，但存在兩大關鍵問題：

輻照度不均：光場中心輻照度遠高于邊緣，形成明顯“熱點”（中心 - 邊緣輻照度差異可達 30% 以上），無法滿足實驗對均勻光場的需求；

準直度不足：匯聚光線呈錐形發散，與自然太陽光的平行光特性差異顯著，影響光伏器件等對入射角度敏感的實驗準確性。

光學積分器成像原理圖

為了解決這些問題，需要引入光學積分器，最常見的是透鏡陣列（也稱復眼透鏡）。

工作原理：首先，匯聚光場照射到由數百個微透鏡單元組成的透鏡陣列上，每個微透鏡單元獨立將入射光分割為“子光場”，并通過調整微透鏡曲率實現子光場的均勻化；隨后，子光場經場鏡疊加，在目標平面形成輻照度均勻性≥90%的方形或圓形光斑，消除“熱點”；若需模擬自然太陽光的平行特性（如光伏器件極限效率測試），則在光路末端加入準直透鏡，通過調整透鏡焦距使錐形光線轉化為準直度≤0.5° 的平行光，進一步貼近自然太陽光特性。

聚光太陽光模擬器的工作鏈路

高亮度點光源（氙燈）→ 橢球面反射鏡（收集光能并匯聚至第二焦點）→ 透鏡陣列（分割光場并實現均勻化）→ 準直鏡（將光場轉化為平行光）→ 目標測試面（生成高輻照度、高均勻性、高光譜匹配度的模擬太陽光源）。

綜上，聚光太陽光模擬器的原理可簡要概括為：光源為模擬太陽光提供光譜基礎，聚光系統實現光能的高效匯聚以達成高輻照度，均勻化與準直系統則優化光場特性、消除“熱點”并提升準直度，三者共同構建出符合實驗需求的高質量模擬光環境。該設備有效突破了自然光源的應用限制，可為新能源、材料科學等領域的技術研發與科學實驗提供標準化、可重復的關鍵條件，進一步提升相關領域的實驗效率與研究深度。

Luminbox 聚光太陽光模擬器

luminbox

紫創測控Luminbox 聚光太陽光模擬器以高性能氙燈為核心光源，精準復現AM1.5G 太陽光譜（可選 AM0、AM1.5D 光譜版本），可輸出高聚光能量，輻照穩定可控，可為環境模擬、材料測試及航空航天驗證提供專業光照解決方案。

可提供500多個太陽的高聚光能量（1sun=1000w/m2）

時間不穩定性和光譜匹配JIS C 8912/IEC 60904-9 2nd/ASTM E927-5的A Class標準

紫創測控Luminbox的聚光太陽光模擬器已應用于材料科學、新能源、航空航天等領域，推動科研與產業創新。未來，Luminbox將持續優化聚光技術，提升光譜適配性與輻照穩定性，為更多高要求場景提供更高效的解決方案。