DE102011002960B3

DE102011002960B3 - Solarsimulator und Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators

Info

Publication number: DE102011002960B3
Application number: DE102011002960A
Authority: DE
Inventors: Nico Morgenbrod
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: WO2012098019A1; CN103328882A; CN103328882B; US20130294045A1; US10295131B2

Abstract

Der Solarsimulator (S) ist mit mindestens einem Leuchtmodul (1) ausgerüstet, wobei das mindestens eine Leuchtmodul (1) aufweist: mehrere Lichterzeugungseinheiten (2, 3), wobei jede der Lichterzeugungseinheiten (2, 3) mindestens eine Halbleiterlichtquelle (4, 5) mit einer nachgeschalteten, lichtbündelnden Primaroptik (6, 7) aufweist; eine den Lichterzeugungseinheiten (2, 3) nachgeschaltete, lichthomogenisierende Sekundaroptik (10); eine der Sekundaroptik (10) nachgeschaltete, abbildende Tertiäroptik (12), wobei die Halbleiterlichtquellen (4, 5) Licht in mehreren separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen. Das Verfahren dient zum Betreiben eines Solarsimulators (S), wobei die Lichterzeugungseinheiten (2, 3) so angesteuert werden, dass der Sonnensimulator (S) eine sich zeitlich ändernde Lichtabstrahlung erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarsimulator mit mehreren Halbleiterlichtquellen und mindestens einer nachgeschalteten Optik. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators.
Es sind Xenonblitzlampen zum Testen von Solarzellen bekannt. Die Verwendung von Xenonblitzlampen weist den Nachteil auf, dass sich eine schlechte Reproduzierbarkeit von schnellzyklischen Messungen ergibt, da ein Einfluss einer Kondensatorladung auf eine Blitzleistung besteht. Zudem weisen Xenonblitzlampen eine nur geringe Lampenlebensdauer bei hohen Prozesskosten und einem hohen Energieeinsatz auf. Darüber hinaus ist das abgestrahlte Spektrum fest vorbestimmt und kann nicht nachgefuhrt werden. Außerdem wird eine hohe Leistung in Wellenlangenbereichen verbraucht, in denen Solarzellen nicht aktiv sind.
DE 10051357 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Solarzellen, welche mindestens 400 Festkörperstrahlungsquellen enthalt, und zwar in einer matrixformigen flächigen Anordnung zur Aussendung von monochromatischem Licht (Matrixlichtquelle) bei einem Spektrum von 880 nm vorzugsweise fur Siliziumzellen. Die Matrixlichtquelle ist als XY-Matrix ausgebildet, wobei die Strome der Festkörperlichtquellen individuell steuerbar sind. Die Matrixlichtquelle kann Gruppen von Festkörperlichtquellen unterschiedlicher, spektraler Lichtaussendung aufweisen, wobei durch eine geeignete Ansteuerung der Gruppen ein gewunschtes Mischspektrum erzeugbar ist.
US 2008/0115830 A1 offenbart Sätze von Solarzellen und Linsen, die sich auf einer Oberflache eines Solarkonzentratormoduls befinden. Die Solarzelle befindet sich in einem Brennpunkt der Linse. Die anderen Sätze, deren Solarzellen durch Beleuchtungsvorrichtungen ersetzt werden, befinden sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Solarkonzentratormoduls. Jeder weitere Satz ist umgekehrt auf einem vorherigen Satz aufgesetzt. Daher wird Licht, welches durch den letzteren Satz und den vorherigen Satz scheint, von der Leuchtvorrichtung auf die Solarzelle fokussiert.
DE 10 2007 059 130 A1 und DE 10 2007 059 131 A1 geben Verfahren und Anordnungen zur Einstellung eines Farborts sowie ein Leuchtsystem an. DE 10 2007 059 130 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts mindestens einer Leuchtquelle, bei dem eine Temperatur ermittelt wird und bei dem abhängig von der ermittelten Temperatur der Farbort der mindestens einen Leuchtquelle eingestellt wird. Zudem wird eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens beschrieben. DE 10 2007 059 131 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts, bei dem n Leuchtquellen vorgesehen sind, von denen n-3 Leuchtquellen voreingestellt werden oder voreingestellt sind, bei dem ein Farbortunterschied der n Leuchtquellen von einem Sollfarbort bestimmt wird und bei dem die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird. Ferner wird eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens beschrieben.
US 7 773 111 B1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators. Der Solarsimulator umfasst eine Mehrzahl von Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, die so angesteuert werden, dass der Solarsimulator eine sich zeitlich ändernde Lichtabstrahlung erzeugt.
US 2009/0051914 A1 offenbart einen Solarsimulator, der eine Lichtquelle, beispielsweise mindestens eine Leuchtdiode, umfasst. Der Lichtquelle ist eine lichtbündelnde Primäroptik nachgeschaltet. Der Primäroptik folgt eine lichthomogenisierende Sekundäroptik. Letzterer folgt eine abbildende Tertiäroptik.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Solarsimulator mit mindestens einem Leuchtmodul, wobei das mindestens eine Leuchtmodul aufweist: mehrere Lichterzeugungseinheiten, wobei jede der Lichterzeugungseinheiten mindestens eine Halbleiterlichtquelle mit einer nachgeschalteten, lichtbündelnden Primäroptik aufweist; eine den Lichterzeugungseinheiten nachgeschaltete, lichthomogenisierende Sekundäroptik; und eine der Sekundäroptik nachgeschaltete, abbildende Tertiäroptik; wobei die Halbleiterlichtquellen Licht in mehreren, separat ansteuerbaren Wellenlangenbereichen erzeugen.
Dieser Solarsimulator ermöglicht eine effektive Umwandlung von eingespeister Energie in Licht. Das aus den mehreren Wellenlängenbereichen zusammengesetzte Licht (”Mischlicht”) kann von dem Solarsimulator mit einer sehr homogenen Leistung oder Intensität und einer sehr homogenen spektralen Verteilung uber eine große Fläche und mit hoher Genauigkeit (z. B. fur Messzwecke) reproduzierbar zur Verfügung gestellt werden. Mit anderen Worten kann an jedem Ort der bestrahlten Flache das selbe Spektrum und die selbe Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die homogene Verteilung kann bereits unmittelbar hinter dem Solarsimulator bereitgestellt werden, insbesondere auch in einem kurzbrennweitigen Arbeitsabstand, beispielsweise von ca. 400 mm, was kompakte Anordnungen erlaubt.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z. B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z. B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlangenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein (”remote phosphor”). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat (”Submount”) montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z. B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
Die lichtbündelnde Primäroptik dient dazu, einen Öffnungswinkel eines von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle erzeugten, in die Primäroptik einfallenden Lichtbündels zu verkleinern oder zu verschmälern. Die lichtbündelnde Primäroptik kann auch als Kollimationsoptik bezeichnet werden oder einer solchen entsprechen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die zu einem der separat ansteuerbaren Wellenlängenbereiche gehorigen Halbleiterlichtquelle(n) auf eine fest vorgegebene Weise, z. B. mit einem fest vorgegebenen Strom oder Stromverhältnis angesteuert werden können. Alternativ können die Halbleiterlichtquelle(n) variabel angesteuert werden, z. B. um eine Lichtintensitat oder Lichtfarbe nachzuführen oder auf einen neuen Wert einzuregeln.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Primäroptik dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen gebündelten Lichtstrahl mit einem Öffnungswinkel von nicht mehr als 15°, insbesondere von nicht mehr als 10°, zu erzeugen. Diese Kollimationsfunktion ermoglicht eine besonders homogene Lichtverteilung in der nachgeschalteten lichthomogenisierenden Sekundaroptik.
Die Primäroptik kann beispielsweise einen Lichtleiter umfassen. Das in den kollimierenden Lichtleiter eintretende Licht kann insbesondere an den freien seitlichen Oberflachen durch Totalreflexion reflektiert werden (”TIR ('Total Inner Reflection')-Stab”). Alternativ können die Seiten des Lichtleiters verspiegelt sein.
Der Lichtleiter kann insbesondere ein Konzentrator sein. Der Konzentrator kann beispielsweise ein zusammengesetzter Konzentrator sein, wie ein CPC-Konzentrator (CPC; ”Compound Parabolic Conzentrator”), ein CHC(”Compound Hyperbolic Concentrator”)-Konzentrator, ein CEC(”Compound Elliptic Concentrator”)-Konzentrator usw. Jedoch können auch andere Kollimationsoptiken verwendet werden.
Der Lichtleiter kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff bestehen. Die Primäroptik kann alternativ oder zusätzlich als ein Reflektor, insbesondere schalenformiger Reflektor, ausgestaltet sein.
Es ist auch eine Weiterbildung, dass mindestens zwei (baulich) unterschiedlichen Lichterzeugungseinheiten unterschiedliche Primäroptiken nachgeschaltet, z. B. eine Lichtleiter bzw. ein Reflektor, zwei baulich unterschiedliche Lichtleiter oder zwei baulich unterschiedliche Reflektoren.
Es ist noch eine weitere, insbesondere funktionsgebende, Ausgestaltung, dass die Sekundäroptik einen Wabenkondensor umfasst. Der Wabenkondensor kann beispielsweise zwei auf einem gemeinsamen Substrat doppelseitig aufgebrachte Mikrolinsenfelder aufweisen. Der Wabenkondensor kann alternativ zwei auf beabstandet angeordneten Substraten jeweils einseitig aufgebrachte Mikrolinsenfelder aufweisen.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Tertiäroptik eine Fourieroptik, insbesondere Fourierlinse (z. B. eine als eine Fourieroptik eingesetzte Sammellinse), insbesondere Fresnel-Linse, umfasst.
Eine Tertiaroptik mag einer oder mehreren Sekundäroptiken nachgeschaltet sein.
Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass die Tertiäroptik eine definierte kissenförmige Verzeichnung (”Seidelsche Abberation”) erzeugt. So kann bei einer arrayartig flachigen Anordnung mehrerer Leuchtmodule, bei welcher die Bilder oder Bildbereiche der Leuchtmodule benachbart zueinander projiziert werden, eine besonders homogene Lichtverteilung über mehrere Bildbereiche ermöglicht werden, weil die kissenförmigen Verzeichnungen bei ihrer Uberlagerung einen Helligkeitsabfall am Rand der einzelnen Bildbereiche zumindest teilweise ausgleichen konnen.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Tertiäroptik mindestens ein Bild oder einen Bildbereich eines von einer Sekundaroptik abgestrahlten Strahlbündels mit einer dicht packbaren Grundform erzeugt. Dadurch können mehrere Bildbereiche direkt aneinander angrenzend oder spaltlos angeordnet sein und also eine Bildfläche vollständig abdecken, ohne dass sie sich zu überlagern brauchen. Die Bildbereiche können sich jedoch in Bereichen (geringfügiger) Abweichungen von der Grundform, z. B. in verzeichneten Bereichen, und/oder in äußeren Randbereichen überlagern. Eine dicht packbare Grundform kann beispielsweise eine rechteckige Grundform oder eine hexagonale Grundform umfassen.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Halbleiterlichtquellen Licht in mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, separat ansteuerbaren Wellenlangenbereichen erzeugen. Diese Zahl von Wellenlängenbereichen ermöglicht bereits eine praktisch sinnvolle Annaherung an das Sonnenspektrum bei einem gleichzeitig geringen Ansteuerungsaufwand. So können die in DE 10 2007 059 130 A1 und DE 10 2007 059 131 A1 beschriebenen Verfahren und Anordnungen auch vorteilhaft für den vorliegenden Sonnensimulator verwendet werden.
So kann es insbesondere eine Weiterbildung sein, dass zur Einstellung eines Farborts mindestens eines Leuchtmoduls, mindestens einer Lichterzeugungseinheit, mindestens einer Halbleiterlichtquelle und/oder mindestens eines Wellenlängenbereichs (Farbkanals), n Wellenlängenbereiche vorgesehen sind, von denen n-3 Wellenlängenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquellen voreingestellt werden oder voreingestellt sind, wobei ein Farbortunterschied der n Wellenlängenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) von einem Sollfarbort bestimmt wird und wobei die 3 nicht voreingestellten Wellenlängenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird. Insbesondere kann der Farbortunterschied anhand mindestens einer Messeinrichtung bestimmt wird, wobei die mindestens eine Messeinrichtung insbesondere einer der folgenden Sensoren umfasst: einen Helligkeitssensor, insbesondere ein V_λ-bewerteter Helligkeitssensor, einen Temperatursensor und/oder einen Farbsensor. Für jeden Wellenlängenbereich bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) kann insbesondere mindestens je ein Sensor vorgesehen ist. Die Einstellung des Farborts kann derart erfolgt, dass mindestens eine der Zielgrößen: Color Rendering Index, Color Quality Scale oder eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung einen vorgegebenen Wert möglichst gut erreicht. Insbesondere kann eine Optimierung hinsichtlich der mindestens einen Zielgroße vorab durchgeführt wird und insbesondere als eine Ansteuerinformation fur die n-3 Wellenlangenbereich bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) bereitgestellt wird. Ferner kann die Einstellung der mindestens einen Zielgroße anhand der n Wellenlangenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) mittels mindestens einer der folgenden Parameter erfolgt: Lichtstrom, Beleuchtungsstärke, Lichtstärke oder Leuchtdichte. Auch können die drei nicht voreingestellten Wellenlangenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) ein Dreieck in einem CIE x-y-Diagramm aufspannen, wobei das Dreieck insbesondere eine möglichst große Fläche aufweist. Zudem können die drei nicht voreingestellten Wellenlängenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) iterativ so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird. Außerdem können zur Einstellung des Sollfarborts zusätzlich ein relativer oder absoluter Sollfarbort und/oder eine Helligkeitsinformation einstellbar vorgegeben sein.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Wellenlangenbereich Infrarotstrahlung umfasst.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Wellenlängenbereich Ultraviolettstrahlung (”UV-Wellenlängenbereich”) umfasst. So können insbesondere strahlungsinduzierte Alterungseffekte (Bewitterung) realitätsnah simuliert werden. Insbesondere mag dieser UV-Wellenlangenbereich im nahen Ultraviolett liegen, insbesondere in einem Wellenlängenbereiche von ca. (370 +/– 50) nm.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens eine Lichterzeugungseinheit mehrere Halbleiterlichtquellen aufweist, wobei die Halbleiterlichtquellen Licht in mindestens zwei separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen. So kann die zugehorige Primäroptik für mehrere Wellenlängenbereiche verwendet werden, was Kosten spart und eine kompakte Bauweise ermöglicht.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Solarsimulator mehrere Leuchtmodule aufweist, wobei die Leuchtmodule im Wesentlichen aneinander grenzende Bilder oder Bildbereiche erzeugen (arrayartig flachige Anordnung). Die Lichtverteilung ist vorzugsweise über aneinander grenzende Bildbereiche hinweg im Wesentlichen homogen. So konnen praktisch beliebig große Flachen mit sonnenähnlichem Licht hoher Leistungsdichte bestrahlt werden.
Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass benachbarte Leuchtmodule Bildbereiche erzeugen, welche sich an ihren verzeichneten Randdberständen, insbesondere Ecken, überlagern. Dies unterstützt, insbesondere zusammen mit einer definierten kissenförmigen Verzeichnung der einzelnen Bildbereiche, die homogene Lichtverteilung (Intensität und/oder spektrale Verteilung) über verschiedene Bildbereiche hinweg.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Solarsimulator mindestens eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Lichterzeugungseinheiten bzw. deren Halbleiterlichtquelle(n) aufweist.
Die Steuereinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Lichterzeugungseinheiten, insbesondere gleichartige Halbleiterlichtquellen, variabel anzusteuern, insbesondere um eine Leistungsdichte und/oder einen (Misch-)Farbort des von dem Leuchtmodul und/oder dem Solarsimulator erzeugten Mischlichts variabel einzustellen oder einzuregeln.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, das Mischlicht einer Sonnenlichteigenschaft über einen Tagesverlauf nachzuempfinden, um realistische Tageslichtkurven zu realisieren. So mag das Tageslicht am Morgen und am Abend eine geringere Intensität und einen höheren Rotanteil aufweisen als mittags. Alternativ mögen individuelle Spektralverteilungen realisiert werden.
Es ist eine allgemeine Weiterbildung, dass das Leuchtmodul und/oder der Solarsimulator mindestens eine Messeinrichtung aufweisen. Die mindestens eine Messeinrichtung mag insbesondere zum Abfuhlen mindestens einer Eigenschaft des erzeugten Lichts eingerichtet sein, beispielsweise mindestens einen Farbsensor und/oder mindestens einen Helligkeitssensor umfassen, beispielsweise individuell für einen oder mehrere der Farbkanäle, insbesondere jeden der Farbkanäle. Die mindestens eine Messeinrichtung mag zusätzlich oder alternativ mindestens einen Temperatursensor umfassen. Die Sensoren können insbesondere analog wie in DE 10 2007 059 130 A1 und DE 10 2007 059 131 A1 beschrieben verwendet werden.
So kann zur Einstellung eines Farborts mindestens eines Leuchtmoduls, mindestens einer Lichterzeugungseinheit, mindestens einer Halbleiterlichtquelle und/oder mindestens eines Wellenlangenbereichs (Farbkanals) eine Temperatur ermittelt werden und abhangig von der ermittelten Temperatur der Farbort eingestellt werden. Der Farbort kann eine Helligkeit und/oder eine Farbsättigung umfassen. Der Farbort kann einem Sollfarbort entsprechen, der insbesondere vorgegeben ist. Die Temperatur kann insbesondere eine Temperatur einer Lichterzeugungseinheit oder einer Halbleiterlichtquelle (z. B. gemessen direkt an der Halbleiterlichtquelle oder an einem zugehörigen Substrat usw.) sein. Die Temperatur kann insbesondere anhand des mindestens einen Temperatursensors, insbesondere anhand eines Heißleiters und/oder eines Kaltleiters, ermittelt werden. Alternativ oder zusatzlich kann die Temperatur anhand einer abgegeben Leistung und/oder anhand eines thermischen Widerstands bestimmt werden. Anhand der Temperatur des mindestens einen Leuchtmoduls, Lichterzeugungseinheit und/oder Halbleiterlichtquelle kann eine zugehörige Helligkeit und Wellenlange, insbesondere Spitzenwellenlange des Wellenlangenbereichs, der mindestens einen Leuchtquelle ermittelt werden. Die Helligkeit und die Wellenlange können abhängig von vorgegebenen Kalibrierdaten ermittelt werden. Die Helligkeit und die Wellenlänge konnen auch abhangig von einer Alterungsinformation betreffend das mindestens eine Leuchtmodul, Lichterzeugungseinheit und/oder Halbleiterlichtquelle ermittelt werden, insbesondere falls die Alterungsinformation eine Alterungskennlinie der Leuchtquelle ist. Die Helligkeit und die Wellenlänge können in einen Ist-Farbort umgesetzt werden. Insbesondere kann der Ist-Farbort mit dem (Soll-)Farbort verglichen wird und das mindestens eine Leuchtmodul, Lichterzeugungseinheit und/oder Halbleiterlichtquelle so eingestellt werden, dass der Farbort erreicht wird. Insbesondere kann das mindestens eine Leuchtmodul, Lichterzeugungseinheit und/oder Halbleiterlichtquelle iterativ so eingestellt werden, dass der Farbort erreicht wird. Jedoch sind für eine solche Einstellung des Farborts alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoren, Farb- und/oder Helligkeitssensoren, einsetzbar
Es ist besonders vorteilhaft, wenn für jedes Leuchtmodul entsprechende Sensoren (insbesondere Farb-, Helligkeits- und/oder Temperatursensoren) zur Einstellung des Farborts (insbesondere für dessen Kalibrierung) fur jeden separat ansteuerbaren Wellenlängenbereich des Leuchtmoduls vorgesehen sind, insbesondere mindestens ein Sensor für jeden separat ansteuerbaren Wellenlängenbereich.
Allgemein kann jedes Leuchtmodul zur selbsttätigen Einstellung oder Regelung der Farborte der mehreren separat ansteuerbaren Wellenlängenbereiche eingerichtet sein. Jedes Leuchtmodul kann dazu mindestens eine Steuereinrichtung aufweisen.
Es ist auch eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Messeinrichtung mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, insbesondere um eine Anpassung oder Regelung der Lichterzeugungseinheiten bzw. Halbleiterlichtquellen zu ermöglichen. Dadurch lässt sich eine sehr genaue Reproduzierbarkeit des Mischlichts und/oder der einzelnen Lichtanteile oder Farbkanale erreichen. Insbesondere wird auch eine Kalibrierung und/oder Selbstkalibrierung ermöglicht.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Steuereinrichtung eine zentrale Steuereinheit und/oder eine Steuereinheit für jedes Leuchtmodul, insbesondere zur Kommunikation zwischen mehreren Leuchtmodulen (”Modul-Modul-Kommunikation”), umfasst.
Insbesondere zur Abstimmung einer Lichtabstrahlung mehrerer Leuchtmodule des Solarsimulators, insbesondere zur Abstimmung ihrer Farborts, konnen die Leuchtmodule, insbesondere deren Steuereinheiten, zur Modul-Modul-Kommunikation eingerichtet sein.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass jedes Leuchtmodul in der Lage ist, einen Helligkeits-Sollwert auf mindestens 2% genau anzusteuern und/oder einzuregeln. Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Leuchtmodule (bei Vorliegen mehrerer Leuchtmodule) in der Lage sind, ihre Helligkeitswerte auf mindestens 2% genau auf einen (Gesamt-) Helligkeits-Sollwert für alle Leuchtmodule anzusteuern und/oder einzuregeln. Dazu kann insbesondere die Fähigkeit zur Modul-Modul-Kommunikation verwendet werden.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Solarsimulator eine Schnittstelle zur Ausgabe spektraler Eigenschaften und/oder einer Information über eine Helligkeitsverteilung des von ihm abgestrahlten Lichts aufweist. Die Schnittstelle kann beispielsweise an eine Messapparatur der zu bestrahlenden Solarzelle(en) ankoppelbar sein. Dies ermöglicht eine Korrelation und Feinkorrektur des Messwerts der Solarzelle bei jeder Messung.
Es ist ferner eine Weiterbildung, dass das Leuchtmodul und/oder der Solarsimulator mit einer Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkuhlung, ausgestattet sind, um bei der Licht- bzw. Strahlungserzeugung erzeugte Abwärme effektiv abzuführen. Die Verwendung einer Wasserkühlung weist den Vorteil auf, dass eine sehr effektive Wärmeabfuhr erreichbar ist, wodurch eine geringe Sperrschichttemperatur auch bei hohen Betriebsströmen eingehalten werden kann. Auch wird so eine Lebensdauer verlängert. Zudem wird ein effektiver LED-Betrieb mit geringen Temperaturverlusten ermöglicht. Die Wasserkühlung unterstutzt ferner die Stabilität der Lichterzeugung und Lichtausgabe. Daruber hinaus vereinfacht die Wasserkuhlung eine gemeinsame Verwendung einer hohen Zahl von Leuchtmodulen.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Wasserkühlung des Solarsimulators an einen wärmeruckgewinnenden Kuhlwasserkreislauf angeschlossen ist, z. B. einer Fabrik. Dadurch wird ein besonders energiesparender Betrieb des Solarsimulators ermoglicht.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators, insbesondere wie oben beschrieben, wobei die Lichterzeugungseinheiten bzw. Halbleiterlichtquellen so angesteuert werden, dass der Sonnensimulator eine sich zeitlich ändernde (vorbestimmte) Lichtabstrahlung erzeugt. Die sich zeitlich ändernde Lichtabstrahlung kann insbesondere dem Sonnenlicht über einen Tagesverlauf nachempfunden sein.
Der Solarsimulator mag in einem kontinuierlichen Modus oder in einem Blitzmodus betrieben werden.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt in einer Ansicht von schräg seitlich ein Leuchtmodul gemäß einer ersten Ausführungsform fur einen Solarsimulator;
2 zeigt das Leuchtmodul gemäß der ersten Ausführungsform in einer Ansicht von schräg hinten;
3 zeigt ein Leuchtmodul gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von vorne;
4 zeigt eine Helligkeitsverteilung eines mittels eines der Leuchtmodule erzeugten Bilds;
5 zeigt in Draufsicht eine Anordnung von Bildern mehrerer Leuchtmodule eines Solarsimulators; und
6 zeigt eine spektrale Verteilung des von dem Leuchtmodul erzeugten Bilds.
1 zeigt in einer Ansicht von schrag seitlich ein Leuchtmodul 1 fur einen Solarsimulator S. 2 zeigt das Leuchtmodul 1 in einer Ansicht von schräg hinten. Der Solarsimulator S weist mindestens ein Leuchtmodul 1 auf.
Das Leuchtmodul 1 weist mehrere Lichterzeugungseinheiten 2, 3 auf, namlich funf erste Lichterzeugungseinheiten 2 und vierundzwanzig zweite Lichterzeugungseinheiten 3. Die ersten Lichterzeugungseinheiten 2 und die zweiten Lichterzeugungseinheiten 3 sind bezuglich einer Längsachse L des Leuchtmoduls um 90° drehsymmetrisch angeordnet. Die fünf ersten Lichterzeugungseinheiten 2 sind genauer gesagt in einer Matrixanordnung mit einer zentralen Lichterzeugungseinheit 2 (durch welche die Längsachse L verläuft) und vier äußeren Lichterzeugungseinheiten 2 angeordnet, während vierundzwanzig zweite Lichterzeugungseinheiten 3 in Gruppen zu je sechs Lichterzeugungseinheiten 3 zwischen benachbarten Lichterzeugungseinheiten 2 angeordnet sind.
Jede der Lichterzeugungseinheiten 2, 3 weist mehrere Halbleiterlichtquellen in Form von Leuchtdioden (LEDs) auf. Die erste Lichterzeugungseinheit 2 weist hier beispielhaft einen Satz 4 mit mehreren Infrarotlicht abstrahlenden LEDs (IR-LEDs) auf, wobei diese IR-LEDs unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbänder aufweisen können. Die zweiten Lichterzeugungseinheit 3 weist einen Satz 5 mit mehreren LEDs auf, wobei auch diese LEDs unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlangenbander aufweisen können, z. B. sichtbares Licht und/oder IR-Licht abstrahlen konnen. Dazu konnen z. B. LEDs unterschiedlicher Farbe (d. h. LEDs, welche Licht unterschiedlicher Wellenlänge abstrahlen) verwendet werden, wobei zusätzlich auch IR-LEDs vorhanden sein können.
Die Sätze 4 und/oder 5 können als LED-Module vorliegen, wobei jedes LED-Modul mehrere LEDs auf einem gemeinsamen Substrat aufweist. Die LEDs können insbesondere als LED-Chips vorliegen, welche z. B. auf einem gemeinsamen Keramik-Substrat aufgebracht sind. Die LEDs können als einzeln gehäuste Hochleistungs-LEDs vorliegen.
Jeder der Sätze 4, 5 ist mit einer Flussigkeitskühlung in Form einer hier beispielsweise verwendeten Wasserkühlung (o. Abb.) verbunden, um die durch die LEDs erzeugte Abwärme abzuführen.
Jedem der Sätze 4, 5 ist eine lichtbündelnde Primäroptik 6 bzw. 7 nachgeschaltet, um einen Abstrahlwinkel des jeweils abgestrahlten Lichtbündels, insbesondere in Bezug auf die Längsachse L, zu verringern (”Kollimationseinheit”). Die für LEDs typische Abstrahlcharakteristik eines Lambertschen Strahlers mit einem Abstrahlwinkel von 180° bzw. einem Öffnungswinkel von θ = 90° in Bezug auf die Hauptabstrahlachse, optische Achse oder Langsachse wird somit verkleinert, bevorzugt auf θ ≤ ca. 15°, noch bevorzugter auf θ ≤ ca. 10°.
Die dem jeweiligen Satz 4 nachgeschaltete Primäroptik 6 liegt in Form einer Reflektorschale vor, z. B. mit einem parabelförmigen Querschnittsprofil. Die IR-LEDs des jeweiligen Satzes 4 strahlen also in die Primäroptik 6 ein und werden zum Teil an den IR-reflektierend ausgestalteten Innenwanden der Primaroptik 6 reflektiert und zum Teil unreflektiert durch eine vordere Lichtaustrittsebene 8 ausgegeben.
Die dem jeweiligen Satz 5 nachgeschaltete Primäroptik 7 liegt in Form eines Lichtleiters vor. Die LEDs des jeweiligen Satzes 5 strahlen also in die Primaroptik 7 ein und werden zum Teil an den Außenseiten der Primäroptik 7 totalreflektiert und zum Teil unreflektiert durch eine vordere Lichtausgabeflache 9 ausgegeben. Die Primäroptik 7 kann beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, oder aus Kunststoff bestehen, insbesondere zyklischen Olefin-Polymeren (COP; ”Cycloolefin Polymer”) wie sie beispielsweise unter dem Namen Zeonex oder Zeonor von der Firma Zeon Europe GmbH, Deutschland, erhältlich sind, oder zyklischen Olefin-Copolymeren (COC; ”Cycloolefin Copolymer”) wie sie beispielsweise unter dem Namen TOPAS von der Firma TOPAS Advanced Polymers GmbH, Deutschland, erhältlich sind. Die Lichtausgabefläche 9 und die Lichtaustrittsebene 8 liegen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene und weisen die gleiche Hauptabstrahlrichtung auf.
Den Lichterzeugungseinheiten 2, 3 und den Primäroptiken 6 und 7 ist eine lichthomogenisierende Sekundäroptik 10 mit einer in Draufsicht entlang der Langsachse L rechteckigen Grundform nachgeschaltet. Die Sekundaroptik 10 dient unter anderem dazu, das von den Lichterzeugungseinheiten 2, 3 eingestrahlte Licht über eine Lichtabstrahlfläche 11 der Sekundaroptik 10 bezüglich einer Intensität oder Lichtstärke als auch einer Farbe oder Wellenlänge(n) zu homogenisieren bzw. anzugleichen. Für einen Betrachter erscheint die Lichtabstrahlfläche 11 idealerweise als eine rechteckige, homogen strahlende Flache.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sekundaroptik 10 als ein Wabenkondensor (”Fly's Eye”) ausgestaltet. Der Wabenkondensor kann insbesondere zwei optisch in Serie geschaltete, versetzt angeordnete Felder mit wabenförmigen Matrix-Anordungen von Mikrolinsen aufweisen, wobei die Subaperturen der Mikrolinsen des ersten Felds insbesondere deckungsgleich durch die Tertiaroptik 12 (siehe unten) auf die Zielebene abgebildet werden (können). Insbesondere in Kombination mit den auf einen Öffnungswinkel von bevorzugt auf θ ≤ ca. 15°, noch bevorzugter auf θ ≤ ca. 10°, lichtbündelnden Primaroptiken 6 und 7 ist durch die Sekundaroptik 10 ein hoher Homogenisierungsgrad erreichbar.
Der Sekundäroptik 10 ist optional eine abbildende Tertiaroptik 12 in Form hier einer Fourieroptik, insbesondere Fourierlinse, insbesondere einer raumsparenden Fresnel-Linse, nachgeschaltet, um das von der Sekundäroptik 10 auf einen gewunschten Bildbereich B, welcher sich in oder an einem Brennpunkt der Tertiaroptik 12 befindet, wie z. B. in 4 gezeigt, z. B. eine Solarzelle oder eine zu verwitternde Fläche, abzubilden.
Die Tertiäroptik 12 mag einer oder mehreren Sekundäroptiken 10 nachgeschaltet sein. Durch die rechteckige Grundform der mehreren Sekundäroptiken 10 können diese im Wesentlichen spaltfrei und im Wesentlichen ohne eine Überlappung (”dicht gepackte Grundform”) zueinander angeordnet werden. Die Tertiaroptik 12 mag auch eine anders geformte Außenkontur aufweisen, z. B. eine zu der oder den Sekundäroptiken 10 konforme Außenkontur, z. B. eine viereckige, insbesondere quadratische, Außenkontur.
Die Lichterzeugungseinheiten 2, 3 können allgemein so angesteuert werden, dass gleichartige LEDs, auch unterschiedlicher Lichterzeugungseinheiten 2, 3, gemeinsam und ggf. auch unabhängig von anderen LEDs ansteuerbar sind, z. B. bezüglich ihres Betriebsstroms. In anderen Worten können insbesondere separate Farbkanale des Leuchtmoduls 1 und/oder des Solarsimulators S individuell angesteuert werden. Beispielsweise konnen alle LEDs einer gleichen Farbe gemeinsam angesteuert werden. Dadurch kann durch die Sekundäroptik 10 insbesondere auch ein Mischlicht mit einem einstellbaren Farbpunkt aus mehreren Gruppen gleichartiger LEDs innerhalb eines durch das Leuchtmodul realisierbaren Farbraums ('Gamut') erzeugt werden. Zur Ansteuerung der Lichterzeugungseinheiten 2, 3 können die LEDs mit einer geeigneten Steuereinrichtung oder Treiber verbunden sein bzw. von einer solchen angesteuert oder gespeist werden.
Die Steuereinrichtung kann insbesondere dazu in der Lage sein, die Lichterzeugungseinheiten 2, 3 variabel anzusteuern, insbesondere eine Leistungsdichte und/oder einen (Misch-)Farbort des von dem Leuchtmodul 1 und/oder dem Solarsimulator S erzeugten Mischlichts variabel einzustellen oder einzuregeln. Insbesondere kann so das Mischlicht einer Sonnenlichteigenschaft über einen Tagesverlauf nachempfunden werden, um reale Tageslichtkurven zu realisieren. So mag das Tageslicht am Morgen und am Abend eine geringere Intensität und einen höheren Rotanteil aufweisen als mittags. Alternativ mögen individuelle Spektralverteilungen simuliert werden.
Ferner mögen das Leuchtmodul 1 und/oder der Solarsimulator S mindestens eine Messeinrichtung zum Abfühlen mindestens einer Eigenschaft des erzeugten Lichts aufweisen. Die mindestens eine Messeinrichtung mag beispielsweise mindestens einen Farbsensor, mindestens einen Helligkeitssensor und/oder mindestens einen Temperatursensor umfassen, beispielsweise individuell für einen oder mehrere der Farbkanäle, insbesondere jeden der Farbkanäle.
Insbesondere der mindestens eine Farbsensor und/oder der mindestens eine Helligkeitssensor konnen auf ruckgestreutes und/oder ruckreflektiertes Licht empfindlich, insbesondere darauf kalibriert, sein.
Die mindestens eine Messeinrichtung ist mit der Steuereinrichtung gekoppelt, um der Steuereinrichtung eine Anpassung oder Regelung der Lichterzeugungseinheiten 2, 3 zu ermöglichen. Folglich lässt sich mittels einer Nachführung der Lichtquelle durch die Steuereinrichtung eine sehr genaue Reproduzierbarkeit des Mischlichts und/oder der einzelnen Lichtanteile oder Farbkanäle erreichen. Insbesondere wird auch eine Kalibrierung und/oder Selbstkalibrierung des Leuchtmoduls 1 und/oder des Solarsimulators S ermöglicht.
Die Steuereinheit mag eine zentrale Steuereinheit und/oder eine Kommunikation zwischen mehreren Leuchtmodulen 1 umfassen.
3 zeigt ein Leuchtmodul 21 gemaß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von vorne. Das Leuchtmodul 21 weist im Gegensatz zu dem Leuchtmodul 1 acht zweite Lichterzeugungseinheiten 22 und vier dritte Lichterzeugungseinheiten 23 auf. Die zweiten Lichterzeugungseinheiten 22 unterscheiden sich von den zweiten Lichterzeugungseinheiten 3 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass ihre Primaroptiken 24 eine in Draufsicht entgegen der Langsachse L längliche Form aufweisen. Je zwei zweite Lichterzeugungseinheiten 22 sind zwischen zwei äußeren ersten Lichterzeugungseinheiten 2 angeordnet, und je eine dritte Lichterzeugungseinheit 23 ist zwischen zwei benachbarten zweiten Lichterzeugungseinheiten 22 angeordnet. Die Primäroptiken 25 der dritten Lichterzeugungseinheiten 23 sind breiter als die Primäroptiken 24 der zweiten Lichterzeugungseinheiten 22, aber in Draufsicht parallel dazu ausgerichtet. Die zweiten Lichterzeugungseinheiten 22 und die dritten Lichterzeugungseinheiten 23 können gleiche oder unterschiedliche Sätze 4 von LEDs aufweisen.
Die als Wabenkondensor ausgebildete Sekundaroptik 10 ermöglicht es, insbesondere in Kombination mit der Tertiäroptik 12, dass ihre Lichtabstrahlflache 11 Licht im Wesentlichen homogen abstrahlt, und zwar auch dann, wenn nur einige der Lichterzeugungseinheiten 2, 22 und/oder 23 angeschaltet sind, z. B. nur die Lichterzeugungseinheiten 22 und/oder 23.
Jedoch wird es aufgrund von Randeffekten in der Praxis haufig zu einem Intensitätsabfall am Rand der Sekundäroptik 10 und vor allem auch am Rand der Bildfläche in der Fourierebene der Tertiäroptik 12 kommen. 4 zeigt eine Helligkeitsverteilung eines mittels des Leuchtmodule 1 oder 21 erzeugten scharf begrenzten Bilds oder Bildbereichs B in der Fourierebene der Tertiäroptik 12. Der Abstand des Bildbereichs B von dem Leuchtmodul 1 betragt ca. 450 mm. Durch den Intensitätsabfall ergibt sich meist eine abgerundete Intensitätsverteilung, und zwar auch bei einer rechteckigen Funktionsfläche, insbesondere Mikrostrukturanordnung, der Sekundäroptik 10. Um diese abgerundete Intensitatsverteilung mit einfachen Mitteln zu kompensieren, erzeugt das Leuchtmodul 1 oder 21 eine definierte kissenförmige Verzeichnung V (”Seidelsche Abberation”) der rechteckigen Grundform G. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Ecken des Bildbereichs B aus der rechteckigen Grundform G nach außen hervortreten. Auf der rechten Seite des Bildbereichs B sind die Außenkonturen der Grundform G und der Verzeichnung V nochmals schematisch dargestellt.
5 zeigt in Draufsicht eine Anordnung von Bildbereichen B mehrerer direkt benachbart angeordneter Leuchtmodule 1 eines Solarsimulators S (”arrayartig flächige Anordnung”). Die Grundformen G der Bildbereiche B bilden mindestens eine gemeinsame, im Wesentlichen rechteckige Fläche von 156 mm², was einer Fläche einer typischen Solarzelle entspricht, oder ein Vielfaches davon. Die kissenförmigen Verzeichnungen V gleichen den Intensitätsabfall am Rand der jeweiligen Sekundäroptik 10 bzw. Grundformen G der Bildbereiche B zumindest teilweise dadurch aus, dass sie sich, und ggf. auch die äußersten Randbereiche der Seiten der Grundformen G, überlagern.
Anstelle also den randsseitigen Intensitatsabfall und die kissenförmige Verzeichnung V als unerwunschte Effekte mit hohem Aufwand separat ausgleichen zu wollen, wird die kissenförmige Verzeichnung V hier also mit einem verhaltnismäßig geringen Aufwand zur Intensitätserhöhung am Rand des zugehörigen Bildbereichs B beibehalten. Insgesamt ergibt sich eine uber die Bildbereiche B hinweg eine sowohl chromatisch als auch in ihrer Leistungsdichteverteilung hochgradig homogene Lichtverteilung. Die einfache arrayartig flächige Konfigurierbarkeit ermöglicht also ein im Ganzen verzeichnungsarmes optisches System aus mehreren benachbart angeordneten Leuchtmodulen 1.
6 zeigt eine spektrale Verteilung der von dem Leuchtmodul 1 erzeugten Bildbereiche B als Auftragung einer spektralen Leistung in beliebigen Einheiten gegen eine Wellenlänge λ in nm. Das Sonnenspektrum SpS ist gepunktet gezeichnet, während das LED-Spektrum SpL durchgehend eingezeichnet ist. Das LED-Spektrum SpL setzt sich hier aus fünf unterschiedlichen Farbkanalen zusammen, die mittels funf Gruppen von LEDs erzeugt werden. Jedoch können auch weniger, insbesondere vier, als auch mehr Farbkanäle eingesetzt werden. Durch den Einsatz mehrerer Farbkanäle kann das Sonnenspektrum SpS genauer angenähert werden.
Hier setzt sich das LED-Spektrum SpL aus den einzelnen Kanälen oder Wellenlangenbereichen λ = (950 Spitzenwellenlänge +/– 50) nm, (850 +/– 50) nm, (740 +/– 50) nm, (630 +/– 50) nm und (450 +/– 50) nm zusammen.
Insgesamt kann durch das Leuchtmodul 1 allgemein eine Strahlstärke von mehr als 1000 W/m² erzeugt werden, welche höher als die Strahlstärke der Sonne auf dem Erdboden in mittleren Breiten wie z. B. in Mitteleuropa ist, so dass insbesondere solar bedingte Alterungseffekte in verkurzter Zeit untersuchbar sind.
Das Leuchtmodul bzw. die Leuchtmodule 1 ergeben also den Vorteil, dass eine Leistung und eine spektrale Verteilung des Mischlichts (a) sehr homogen, (b) über eine große Fläche und (c) in hoher Genauigkeit (z. B. für Messzwecke) reproduzierbar zur Verfügung gestellt werden kann.
Ferner wird durch das optische System gewährleistet, dass das selbe Spektrum an jedem Ort der bestrahlten Flache mit der selben Strahlungsleistung zur Verfügung steht.
Das Leuchtmodul 1 und/oder der Solarsimulator S können insbesondere mit einer Wasserkühlung ausgestattet sein, um bei der Licht- bzw. Strahlungserzeugung erzeugte Abwärme effektiv abzuführen. Dazu können insbesondere die Substrate der LEDs mit einer Wasserkühlungseinrichtung thermisch verbunden sein. Die Verwendung einer Wasserkühlung weist den Vorteil auf, dass eine sehr effektive Wärmeabfuhr erreichbar ist, wodurch eine geringe Sperrschichttemperatur auch bei hohen Betriebsstromen eingehalten werden kann. Auch wird so eine Lebensdauer verlängert. Zudem wird ein effektiver LED-Betrieb mit geringen Temperaturverlusten ermöglicht. Die Wasserkühlung unterstützt ferner die Stabilität der Lichterzeugung und Lichtausgabe, und zwar sowohl in Bezug auf eine Intensität als auch eine spektrale Konstanz (Vermeidung einer thermisch bedingten Spektralverschiebung). Darüber hinaus vereinfacht die Wasserkuhlung eine gemeinsame Verwendung einer hohen Zahl von Leuchtmodulen 1, insbesondere in einer arrayartig flächigen Anordnung.
Besonders vorteilhaft bei der Nutzung der Wasserkühlung ist die Moglichkeit, die Abwarme in einem Fabrikkuhlwasserkreislauf zurückzugewinnen. Dazu kann beispielsweise die Wasserkühlungseinrichtung des Solarsimulators an den Fabrikkühlwasserkreislauf angeschlossen sein.
Alternativ zu der Wasserkuhlung ist jedoch auch eine Luftkühlung möglich, insbesondere bei einem Betrieb der Leuchtmodule 1 in einem Blitzmodus (”flash mode”).
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So kann, beispielsweise fur Bewitterungsanlagen, zusatzlich ein gezielt ultraviolettes Licht aufweisender Farbkanal bereitgestellt werden, z. B. durch den Einsatz von UV-LEDs, beispielsweise im nahen UV-Bereich, z. B. in einem Wellenlängenbereiche von (370 +/– 50) nm.
Fur einen oder mehrere Farbkanäle kann das in die Sekundäroptik 10 eintretende Licht zumindest teilweise mittels einer Wellenlangenkonversion erzeugt worden sein, und zwar unmittelbar im Bereich einer Emitterflache der LED(s) (”chip-level conversion”) oder in einiger Entfernung davon (”remote phosphor”). Zur Wellenlängenkonversion können ein oder mehrere Leuchtstoffe verwendet werden, insbesondere Lumineszenz-Leuchtstoffe, insbesondere Fluoreszenz- und/oder Phosphoreszenz-Leuchtstoffe. Zur Wellenlangenkonversion können insbesondere Mehrbanden-Leuchtstoffe eingesetzt werden, insbesondere im sichtbaren Bereich.
Bei der Chip-Level Conversion mag insbesondere blaues Licht in grünes Licht und/oder in rotes Licht umgewandelt werden.
Die Halbleiterlichtquellen mogen allgemein durch eine geeignete Klasseneinteilung (”binning”) einen aufgeweiteten Wellenlangenbereich oder aufgeweitete spektrale Breiten einzelner Farben aufweisen.
Das Licht unterschiedlicher Halbleiterlichtquellen und/oder Wellenlängenbereiche mag sich allgemein spektral zumindest teilweise überlagern (”Inter-Kanal-Mischung”) oder im Wesentlichen keine Überlagerungen zeigen.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtmodul
2: erste Lichterzeugungseinheit
3: zweite Lichterzeugungseinheit
4: Satz von LEDs
5: Satz von LEDs
6: Primäroptik
7: Primäroptik
8: Lichtaustrittsebene
9: Lichtausgabefläche
10: Sekundäroptik
11: Lichtabstrahlfläche
12: Tertiäroptik
21: Leuchtmodul
22: zweite Lichterzeugungseinheit
23: dritte Lichterzeugungseinheit
24: Primaroptik
25: Primäroptik
B: Bildbereich
G: Grundkorper
L: Langsachse
S: Solarsimulator
SpS: Sonnenspektrum
SpL: LED-Spektrum
V: Verzeichnung

Claims

Solarsimulator (S) mit mindestens einem Leuchtmodul (1; 21), wobei das mindestens eine Leuchtmodul (1; 21) aufweist: – mehrere Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23), wobei jede der Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) mindestens eine Halbleiterlichtquelle (4, 5) mit einer nachgeschalteten, lichtbündelnden Primäroptik (6, 7) aufweist; – eine den Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) nachgeschaltete, lichthomogenisierende Sekundäroptik (10); – eine der Sekundäroptik (10) nachgeschaltete, abbildende Tertiäroptik (12), wobei die Halbleiterlichtquellen (4, 5) Licht in mehreren separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen.
Solarsimulator (5) nach Anspruch 1, wobei die Primäroptik (6, 7) dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen gebündelten Lichtstrahl mit einem Öffnungswinkel von nicht mehr als 15°, insbesondere von nicht mehr als 100, zu erzeugen.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primäroptik (6, 7) einen Lichtleiter (7) und/oder einen Reflektor (6) umfasst.
Solarsimulator (S) nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei unterschiedlichen Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) unterschiedliche Primäroptiken (6, 7) nachgeschaltet sind.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundäroptik (10) einen Wabenkondensor umfasst.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tertiäroptik (12) eine Fourierlinse umfasst.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmodul (1; 21) eine definierte kissenförmige Verzeichnung erzeugt.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tertiäroptik (12) einen Bildbereich (B) eines von einer Sekundäroptik (10) abgestrahlten Strahlbündels mit einer dicht packbaren Grundform (G) erzeugt.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Wellenlängenbereich Ultraviolettstrahlung umfasst.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Lichterzeugungseinheit (2, 3; 22, 23) mehrere Halbleiterlichtquellen (4, 5) aufweist, wobei die Halbleiterlichtquellen (4, 5) Licht in mindestens zwei separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen.
Solarsimulator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Leuchtmodule (1; 21), wobei die Leuchtmodule (1; 21) aneinander grenzende Bilder erzeugen.
Solarsimulator (S) nach den Ansprüchen 7, 8 und 10, wobei benachbarte Leuchtmodule (1; 21) Bilder erzeugen, welche sich an ihren verzeichneten Randüberstanden, insbesondere Ecken, überlagern.
Solarsimulator (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Solarsimulator (S) mehrere Leuchtmodule (1; 21) aufweist und für eine Kommunikation von Leuchtmodul (1; 21) zu Leuchtmodul (1; 21) eingerichtet ist.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes Leuchtmodul (1; 21) für jeden separat ansteuerbaren Wellenlängenbereich zur Einstellung des zugehörigen Farborts mindestens ein Sensor vorhanden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) so angesteuert werden, dass der Sonnensimulator (S) eine sich zeitlich ändernde Lichtabstrahlung erzeugt.