基于LED和微纳导光膜的可见太阳光模拟器设计与研制

摘要

太阳光谱模拟器是模拟太阳光辐照特性的试验设备，利用太阳光模拟器可以在室内模拟自然太阳光，可获得稳定、可控的模拟太阳光，已广泛应用于航天器空间环境模拟试验、太阳电池检测与标定、工程材料老化试验、生物实验等领域。但是由于近红外波段太阳光谱波形陡峭，现有的光源都无法精确模拟。所以本文重点研究可见太阳光波段，基于新型光源LED设计并制备了可见太阳光模拟器。
　　本文根据太阳可见光谱特征匹配的设计需求，设计并制作了一种由LED(Light Emitting Diode，半导体发光二极管)、驱动模组和微纳导光膜组成的模拟可见太阳光谱的装置。在不同LED发光光谱与太阳光谱的比对、分析的基础上，采用优化后的灰色系统算法等来拟合可见太阳光谱，再由单片机及其附属设备驱动调光电路调节LED阵列的发光强度，最后经光学导光膜传导至装置表面，实现均匀和程控发光。在不同自然光照范围内，该装置在100-500W/m2光照强度范围内与可见太阳光谱的匹配度达到90％。本装置采用多组无级调光模式，具有光谱模拟精度高以及光强输出调节范围宽等特点。
　　本文涉及太阳可见光谱模拟技术领域，具体涉及一种用LED及其驱动模组和微纳导光膜模拟太阳光辐照特性的一种器件。采用在可见光范围内多个不同光谱特征的LED组成点光源，经导光膜混光合成来模拟可见波段太阳光谱，并以面阵光源方式呈现。本文的主要研究工作如下：
　　（1）分析大功率LED主要性能特点，建立常用LED光谱数据库；
　　（2）基于灰色关联度优化算法的标准太阳光谱匹配研究；
　　（3）使用Tracepro和Origin软件对显示器件进行模拟，分析得出单个LED光谱和整个器件的拟合光谱，整个器件在空间角-900~900满足余弦特性；
　　（4）结合本实验特点，设计LED点阵单元和其包覆材料并进行测试；
　　（5）针对项目要求设计导光膜底部网点与侧边微结构，并进行产品制备及测试；
　　（6）根据可见太阳光模拟器和系统架构开发上位机软件，包括PC端软件和云端服务平台；
　　（7）实测可见太阳光谱和模拟器数据，并对测试结果进行了分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 传统太阳模拟器技术

1.3 新型太阳模拟器技术

1.4 国内外研究进展

1.5 本文主要研究工作

第二章 LED介绍和光谱匹配算法

2.1 LED主要性能特点

2.2 建立LED光谱数据库

2.3 LED调节光谱方法

2.4 光谱匹配算法

2.5 本章小结

第三章 模拟器装置的软件模拟

3.1 显色器件导光模型的建立

3.2 显色器件导光余弦特性的模拟研究

3.3 Origin对显色器件光谱的模拟研究

3.4 本章小结

第四章 LED光源组电路与导光结构

4.1常规LED光源组电路

4.2 LED发光单元设计与制备

4.3 系统导光结构的设计和制备

4.4 本章小结

第五章 微纳导光膜设计与系统集成

5.1导光膜底部网点设计

5.2导光膜侧边微结构设计

5.3系统硬件集成

5.4本章小结

第六章 上位机控制平台软件设计

6.1软件应用的相关技术

6.2 PC端软件设计

6.3云端数据服务平台

6.4 本章小结

第七章 试验方法和结果分析

第八章 总结与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论著、论文

附录1：部分代码

致谢