WO2012098019A1 - Solarsimulator und verfahren zum betreiben eines solarsimulators - Google Patents

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solar simulator
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Nico Morgenbrod
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Osram Ag
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a solar simulator with a plurality of semiconductor light sources and at least one downstream optics.
  • the invention further relates to a method for operating a solar simulator.
  • Xenon flash lamps are known for testing solar cells.
  • the use of xenon flash lamps has the disadvantage that a poor reproducibility ofpronouncedzykli ⁇ rule measurements gives as an influence of a Kondensatorla- dung to a flash output is.
  • xenon flash lamps have a low lamp life at high process costs and a high energy input.
  • the radiated spectrum is fixed and can not be tracked.
  • high power is consumed in wavelength ranges in which solar cells are not active.
  • DE 10051357 A1 describes a device for irradiating solar cells, which contains at least 400 solid-state radiation sources, in a matrix-like planar arrangement for emitting monochromatic light (matrix light source) at a spectrum of 880 nm, preferably for silicon cells.
  • the matrix light source is formed as an XY matrix from ⁇ , the currents of the solid-state light sources are individually controllable.
  • the matrix light source can have groups of solid-state light sources of different, spectral light emission, wherein a desired mixing spectrum can be generated by a suitable control of the groups.
  • US 2008/0115830 A1 discloses sets of solar cells and lenses which are located on a surface of a solar concentrator module. The solar cell is in a combustion point of the lens.
  • the other sets whose solar cells are replaced by lighting fixtures, are located on the opposite surface of the solar concentrator module.
  • Each additional sentence is conversely based on a previous sentence. Therefore, light which shines through the last ⁇ ren rate and the previous rate, focused by the illumination device onto the solar cell.
  • DE 10 2007 059 130 A1 and DE 10 2007 059 131 A1 specify methods and arrangements for setting a color location and a lighting system.
  • DE 10 2007 059 130 Al describes a method for setting a color locus at least one light source ⁇ , in which a temperature is detected and a light source is adjusted in the function of the determined temperature of the color point of the least.
  • an arrangement for carrying out the method will be described.
  • a solar simulator having at least one light emitting module, wherein the at least one light emitting module: a plurality of light-generating units, each of the light-generating units of at least one semiconductor light source with a downstream ⁇ , light converging Primärop- has tik; a light generation units nachgeschal ⁇ ended, lichthomogen causesde secondary optics; and an imaging Tertiäroptik following the Se ⁇ kundäroptik; wherein the semiconductor light sources generate light in a plurality of separately controllable wavelength ranges.
  • This solar simulator enables an effective conversion of injected energy into light.
  • the light composed of the multiple wavelength ranges (“mixed light”) can be reproducibly provided by the solar simulator with a very homogeneous power or intensity and a very homogeneous spectral distribution over a large area and with high accuracy (eg for measurement purposes). In other words, the same spectrum and power can be provided at each location of the irradiated area.
  • the homogeneous distribution can already be provided directly behind the solar simulator, in particular in a short focal length working distance, crizspielswei ⁇ se of about 400 mm, which allows compact arrangements.
  • the at least one semiconductor light source ⁇ comprises at least one light emitting diode. If several LEDs are present, they can be lit in the same color or in different colors. A color can be monochrome (eg red, green, blue etc.) or multichrome (eg white).
  • the light emitted by the at least one light-emitting diode can also be an infrared light (IR LED) or an ultraviolet light (UV LED).
  • IR LED infrared light
  • UV LED ultraviolet light
  • Several light emitting diodes can produce a mixed light; eg a white mixed light.
  • the at least one light-emitting diode may contain at least one wavelength-converting phosphor (conversion LED).
  • the phosphor can alternatively or additionally be arranged remotely from the light-emitting diode ("remote phosphor").
  • the at least one light-emitting diode may be in the form of at least one individually packaged light emitting diode or in the form of at least one LED chip vorlie ⁇ gene.
  • Several LED chips can be mounted on a common substrate ( "submount”).
  • the at least one light emitting diode can be equipped with at least one own and / or common optics for beam guidance.
  • organic LEDs eg polymer OLEDs
  • the at least one semiconductor light source for example, have at least one diode laser.
  • the light converging primary optics serves an opening angle is one of the at least one semiconductor light source, he testified ⁇ to reduce incident in the primary optical beam or to narrow.
  • the light bundling primary optics can also be referred to as collimating optics or correspond to one.
  • the semiconductor light source (s) can be controlled variably, for example in order to track a light intensity or light color, or adjust it to a new value.
  • the primary optics is arranged and arranged to produce a collimated light beam with an opening angle of not more than 15 °, in particular of not more than 10 °. This collimation function allows a particularly homogeneous light distribution in the downstream lichthomogen embden secondary optics.
  • the primary optics may include, for example, a light guide.
  • the light entering the collimating light guide can be reflected, in particular, on the free lateral surfaces by total reflection ("TIR ('Total Inner Reflection') rod").
  • TIR Total Inner Reflection'
  • the light guide may in particular be a concentrator.
  • the concentrator can be, for example, a composite concentrator, such as a CPC concentrator (CPC), a compound hyperbolic concentrator (CHC), a compound elliptic concentrator (CEC), Concentrator, etc.
  • CPC CPC
  • CHC compound hyperbolic concentrator
  • CEC compound elliptic concentrator
  • Concentrator etc.
  • other col- limation optics may be used.
  • the light guide can be made of glass or plastic, for example.
  • the primary optics may alternatively or additionally be configured as a reflector, in particular a cup-shaped reflector. It is also a development that at least two (structurally ⁇ ) different light generating units downstream of different primary optics, such as a light guide or a reflector, two structurally different light guides or two structurally different reflectors.
  • the honeycomb condenser may have two microlens fields which are applied to a common substrate on both sides.
  • the honeycomb condenser may alternatively comprise two spaced substrates arranged on each unilaterally ⁇ brought Mikrolinsenfeider.
  • the tertiary optics comprises a Fourier optics, in particular a Fourier lens (for example a convergent lens used as a Fourier optic), in particular a Fresnel lens.
  • a Fourier lens for example a convergent lens used as a Fourier optic
  • a Fresnel lens for example a convergent lens used as a Fourier optic
  • Tertiary optics may be followed by one or more secondary optics. It is also an embodiment that the tertiary ⁇ tik generated a defined pincushion distortion ("silk aberration").
  • a particularly homogeneous distribution of light will allow several image areas because the kissenförmi- gen distortions in their superposition a drop in brightness at the edge of the individual Image areas can at least partially compensate.
  • the tertiary optical system generates at least one image or an image area of a signal emitted from a secondary optical beam with a sealing packba ⁇ ren basic shape.
  • a plurality of image areas can be arranged directly adjoining one another or without a gap, and thus completely cover an image area without them having to overlap.
  • the image areas may overlap in areas of (minor) deviations from the basic shape, eg in recorded areas, and / or in outer edge areas.
  • a densely packable basic shape can comprise a rectangular basic shape or a hexagonal basic shape.
  • n wavelength ranges are provided, of which n-3 wavelength ranges or their Halblei ⁇ terlichtánn are preset or preset, wherein a color locus of the n wavelength ranges or their semiconductor light source (s) of a target color location is determined and wherein the 3 non-preset wavelength ranges or their semiconductor light source (s) are set so that the target color location is reached.
  • the color locus difference can be determined using at least one measuring device, wherein the at least one measuring device in particular comprises one of the following sensors: a brightness sensor, in particular a V 1 -valued brightness sensor, a temperature sensor and / or a color sensor.
  • a brightness sensor in particular a V 1 -valued brightness sensor
  • a temperature sensor for each wavelength range or its semiconductor light source (s), in particular at least one sensor each is provided.
  • the color locus can be set in such a way that at least one of the target variables: Color Rendering Index, Color Quality Scale or an application-dependent spectral distribution reaches a predefined value as well as possible.
  • an optimization with regard to the at least one target variable can be carried out in advance and in particular provided as a control information for the n-3 wavelength range or its semiconductor light source (s).
  • the adjustment of the at least one target variable on the basis of n wavelength bands and whose half ⁇ conductor light source (s) can be effected by means of at least one of the following parameters: luminous flux, luminous intensity, luminous intensity or luminance.
  • the three can not set reference wavelength ranges and spanning a triangle in a CIE xy diagram whose Halbleiterlichtquel ⁇ le (s), wherein the triangle has a particular largest possible area on ⁇ .
  • the three non-preset wavelength ranges or their semiconductor light source (s) can be iteratively set so that the target color location is reached.
  • a relative or absolute nominal color location and / or brightness information can be set in an adjustable manner.
  • At least one wavelength range comprises infrared radiation.
  • At least one wavelength range comprises ultraviolet radiation ("UV wavelength range”).
  • UV wavelength range ultraviolet radiation
  • radiation-induced aging effects weathering
  • these UV wavelength range may be in the near ultraviolet, especially in a wavelength preparation ⁇ che of about (370 +/- 50) nm.
  • at least one light ⁇ generating unit comprises a plurality of semiconductor light sources, wherein the semiconductor light sources in generate at least two se ⁇ ready controllable wavelength ranges.
  • the associated primary optics can be used for several wavelength ranges, which saves costs and allows a compact design.
  • the solar simulator has a plurality of lighting modules, wherein the lighting modules essentially produce adjacent images or image areas (array-like planar arrangement).
  • the light distribution is preferably homogenously over contiguous image regions toward ⁇ off substantially. So virtually any large areas can be irradiated with sun-like light high power density.
  • adjacent light emitting modules generate image areas which overlap at their recorded edge projections, in particular corners. This supports, in particular together with a defined crescent distortion of the individual image areas, the high neous light distribution (intensity and / or spectral distri ⁇ lung) via different image ranges.
  • the solar simulator has at least one control device for controlling the light-generating units or their semiconductor light source (s).
  • the control device can be set up in particular to variably control the light-generating units, in particular similar semiconductor light sources, in particular to variably set or regulate a power density and / or a (mixed) color location of the mixed light generated by the lighting module and / or the solar simulator.
  • control device can be set up to simulate the mixed light of a sunlight property over a course of the day in order to realize realistic daylight curves. For example, daylight in the morning and evening may be less intense and redder than midday. Alternatively, individual Spekt ⁇ ralver gutteren may be realized.
  • the lighting module and / or the solar simulator have at least one measuring device.
  • the at least one measuring device may in particular be designed to sense at least one property of the generated light, for example comprising at least one color sensor and / or at least one brightness sensor, for example individually for one or more of the color channels, in particular each of the color channels.
  • the at least one measuring device may additionally or alternatively comprise at least one temperature sensor.
  • the sensors can be used in particular analogously as described in DE 10 2007 059 130 AI and DE 10 2007 059 131 AI.
  • a temperature can be determined, and depending be set from the detected temperature of the color point.
  • the color locus may include brightness and / or color saturation.
  • the color location may correspond to a desired color location, which is predetermined in particular.
  • the temperature may, in particular a temperature of a generating unit lights- or a semiconductor light source (eg gemes ⁇ sen directly on the semiconductor light source or etc. at a zugehö ⁇ membered substrate) to be.
  • the temperature can be determined in particular on the basis of the at least one temperature sensor, in particular by means of a thermistor and / or a PTC thermistor. Alternatively or additionally, the temperature can be determined on the basis of a delivered power and / or based on a thermal resistance. Based on the temperature of the at least one light emitting module, the light generating unit and / or semiconductor light source, a corresponding brightness resistance and wavelength, in particular peak wavelength of the wavelength range, the at least one light source it ⁇ averages. The brightness and the wavelength can be from ⁇ pending determined by predetermined calibration data.
  • the brightness and the wavelength can be at least one Leuchtmo ⁇ dul, light generating unit and / or the semiconductor light source is determined, especially if the aging information is a deterioration curve of the light source also depends on an information regarding aging.
  • the brightness and the wavelength can be converted into an actual color location.
  • the actual color locus can be compared with the (target) color locus and the at least one luminous module, light generation unit and / or semiconductor light source can be set such that the color locus is reached.
  • at least one light emitting module, the light generating unit and / or the semiconductor light source can iteratively adjusted so ⁇ to that of the color point is reached.
  • alternative or additional Other sensors, color and / or brightness sensors can be used
  • each lighting module ent ⁇ speaking sensors in particular the color, brightness ⁇ and / or temperature sensors
  • for adjusting the color location (particularly for its calibration) for each separately controllable wavelength range of the light-emitting module are provided, in particular at least one sensor for each separately controllable wavelength range.
  • each lighting module can be set up for the automatic adjustment or regulation of the color loci of the several separately controllable wavelength ranges.
  • Each luminous module can have at least one control device for this purpose.
  • the at least one measuring device is coupled to the control device, in particular in order to enable adaptation or regulation of the light generating units or semiconductor light sources.
  • This provides a very accurate reproducibility of the mixed light and / or the individual light units or Farbka ⁇ ducts can be achieved.
  • a calibration and / or self-calibration is possible.
  • control device comprises a central control unit and / or a control unit for each lighting module, in particular for communication between a plurality of lighting modules ("module-module communication").
  • the light modules in particular their control units, can be set up for module-module communication. It is still a development that each light module is able to control a brightness setpoint to at least 2% accurate and / or regulate. It is yet a further development, that the luminous modules (if several Leuchtmo ⁇ modules) in a position to control their brightness values of at least 2% accurately to a (total) brightness level for all lighting modules and / or regulate. In particular, the ability to module-module communication can be used.
  • the solar simulator has an interface for outputting spectral properties and / or information about a brightness distribution of the light emitted by it.
  • the interface can be coupled with ⁇ game as a measuring apparatus to be irradiated solar cell (s). This allows a correlation and fine correction of the measured value of the solar cell at each Mes ⁇ sung.
  • the lighting module and / or the solar simulator are equipped with liquid cooling, in particular water cooling, in order to effectively dissipate waste heat generated in the generation of light or radiation.
  • liquid cooling in particular water cooling
  • the use of water cooling has the advantage that a very effective heat dissipation can be achieved, whereby a low junction temperature can be maintained even at high operating currents. Also, such a life is extended. In addition, an effective LED operation with low temperature losses is made possible.
  • the What ⁇ serkühlung also supports the stability of the Lichterzeu ⁇ supply and light output.
  • the water ⁇ cooling simplifies a common use of a large number of lighting modules.
  • the object is also achieved by a method for Operator Op ⁇ ben a solar simulator, in particular as described above, wherein the light-generating units or Halbleiterlichtquel ⁇ len be controlled so that the solar simulator generates a time-varying (predetermined) light emission.
  • the time-varying light emission can in particular be modeled on sunlight over a course of the day.
  • the solar simulator may operate in a continuous mode or in a flash mode.
  • Ele ⁇ elements may be provided with the same reference numerals for clarity.
  • Fig.l shows in a view obliquely laterally
  • Lighting module according to a first embodiment of a solar simulator
  • FIG. 2 shows the lighting module according to the first embodiment ⁇ form in a view obliquely from behind
  • FIG. 3 shows a lighting module according to a second embodiment in a front view
  • FIG. 5 shows a plan view of an arrangement of images of a plurality of lighting modules of a solar simulator
  • Fig.l shows in a view obliquely from the side a light module 1 for a solar simulator S.
  • Fig.2 shows the light module 1 in a view obliquely from behind.
  • the solar simulator S has at least one lighting module 1.
  • the light-emitting module 1 has a plurality of light-generating units 2, 3, namely five first light generating units 2 and twenty-four second light-generating units 3.
  • the first light-generating unit 2 and the second light-generating units 3 with respect to a longitudinal axis L of the Leuchtmo ⁇ duls by 90 ° rotationally symmetrical.
  • the five first light generating units 2 are arranged in a matrix arrangement with a central light generating unit 2 (through which the longitudinal axis L passes) and four outer light generating units 2, while twenty-four second light generating units 3 are arranged in groups of six light generating units 3 between adjacent light generating units 2.
  • Each of the light generating units 2, 3 has a plurality of semiconductor light sources in the form of light-emitting diodes (LEDs).
  • the first light generating unit 2 here has a set 4 with a plurality of infrared light emitting LEDs (IR LEDs), these IR LEDs having different wavelengths or wavelength bands.
  • the second light-generating unit 3 comprises a set of 5 with a plurality of LEDs, wherein these LEDs may have different wavelengths or Wel ⁇ lendorfnb stands, can emit, for example, visible light and / or IR light.
  • LEDs of different colors ie, LEDs which emit light different ⁇ Licher radiate wavelength
  • ⁇ additionally also IR-LEDs may be present.
  • the sets 4 and / or 5 may be present as LED modules, each LED module having a plurality of LEDs on a common substrate.
  • the LEDs may, in particular as LED chips vorlie ⁇ gene, which for example are placed on a common ceramic substrate on ⁇ .
  • the LEDs can be present as separately packaged high power LEDs ⁇ .
  • Each of the sets 4, 5 is connected to a liquid cooling system in the form of a water cooling system used here, for example (see Fig.), In order to dissipate the waste heat generated by the LEDs.
  • Each of the sets 4, 5 is followed by a light-bundling primary optics 6 and 7, respectively, in order to reduce a radiation angle of the respective emitted light beam, in particular with respect to the longitudinal axis L ("collimation unit").
  • the primary optic 6 connected downstream of the respective set 4 is in the form of a reflector shell, for example with a parabolic cross-sectional profile.
  • the IR-LEDs of the respective set 4 thus radiate into the primary optical system 6 and are reflected to the IR reflective configured inner walls of the primary optics 6 and unreflected part of output by a particular before ⁇ light exit plane 8 in part.
  • the respective set 5 downstream primary optics 7 is in the form of a light guide.
  • the LEDs of the respective satellite ⁇ zes 5 thus radiate into the primary optical system 7 and in part will be totally reflected at the outer sides of the primary lens 7 and unreflected in part by a front light output surface 9 ⁇ output.
  • the primary lens 7 can for example be made of glass, in particular quartz glass, or plastic best ⁇ hen, especially cyclic olefin polymers (COP; "Cycloo- Lefin polymer”) such as those under the name Zeonex or Zeonor from Zeon Europe GmbH, Germany are available, or cyclic olefin copolymers (COC; "Cyc-- loolefin copolymer”) as they are available, for example under the name TOPAZ by the company TOPAS Advanced Polymers GmbH, German ⁇ country.
  • COP cyclic olefin polymers
  • COC cyclic olefin copolymers
  • the light output surface 9 and the Light exit plane 8 are substantially in a common plane and have the same main emission.
  • the light generating units 2, 3 and the primary optics 6 and 7 are followed by a light homogenizing secondary optics 10 having a basic shape rectangular in plan view along the longitudinal axis L.
  • the secondary optics 10 serves, inter alia, to homogenize or align the light irradiated by the light generating units 2, 3 via a light emitting surface 11 of the secondary optics 10 with respect to intensity or light intensity as well as a color or wavelength (s).
  • the light emission surface 11 appear ideally as a rectangular, homogeneous radiant FLAE ⁇ che for a viewer.
  • the secondary optics 10 is configured as a fly's eye condenser.
  • the Wa ⁇ benkondensor may in particular two optically maral ⁇ tete, staggered fields arranged with honeycomb matrix arrangements of microlenses, wherein the subapertures of the microlenses of the first field in particular congruent by the tertiary optics 12 (see below) formed on the target plane ⁇ be able (can).
  • a high degree of homogenization can be achieved by the secondary optics 10.
  • the secondary optics 10 is optionally an imaging tertiary optics 12 in the form of a Fourier optics, in particular a Fourier lens, in particular a space-saving Fresnel lens, switched after ⁇ to that of the secondary optics 10 to a desired image area B, which in or at a focal point of the tertiary optics 12, as shown for example in FIG. 4, eg a solar cell or a surface to be weathered.
  • the tertiary optics 12 may be connected downstream of one or more secondary optics 10. As a result of the rectangular basic shape of the plurality of secondary optics 10, these can be arranged substantially without gaps and essentially without an overlap ("densely packed basic shape") relative to one another.
  • the tertiary optical system 12 may also have a differently shaped outer contour aufwei ⁇ sen, for example, a conformal to the line or secondary optics 10 outer contour, for example a square, in particular square, outer contour.
  • the light-generating units 2, 3 can be generally controlled so that the same type LEDs, also differing ⁇ cher light generating units 2, 3 together and possibly also be controlled independently of other LEDs, for example in terms of their operating current.
  • separate color channels of the lighting module 1 and / or the Solarsi ⁇ mulators S can be controlled individually.
  • all LEDs of the same color can be controlled together.
  • This also a mixed light with an adjustable color point of several groups of identical LEDs inside a light emitting module can be realized by the color space ( 'gamut') can be obtained by the secondary optic 10, in particular produced ⁇ the.
  • the LEDs can be connected to a suitable control device or driver or driven or fed by such.
  • the control means may, in particular to be able, the light generating units 2, variably control 3, in particular a power density and / or a (mixed) to adjust chromaticity of the mixed light generated by the light-emitting module 1 and / or the Solarsimula ⁇ tor S variable or regulate.
  • the mixed light of a sun light ⁇ property over a day they modeled the ⁇ to realize real daylight curves. So the daylight in the morning and in the evening a lower intensity and have a higher proportion of red than midday.
  • individual spectral distributions may be simulated.
  • the lighting module 1 and / or the solar simulator S may have at least one measuring device for sensing at least one property of the generated light.
  • the at least one measuring device may for example comprise at least one color sensor, at least one brightness sensor and / or at least one temperature sensor, for example individually for one or more of the color channels, in particular each of the color channels.
  • the at least one color sensor and / or the at least one brightness sensor can be sensitive to backscattered and / or back-reflected light, in particular calibrated thereon.
  • the at least one measuring device is coupled to the control device in order to enable the control device to adapt or regulate the light-generating units 2, 3. Consequently, by means of a tracking of the light source by the control device, a very accurate reproducibility of the mixed light and / or of the individual light components or color channels can be achieved. In particular, a calibration and / or self-calibration of the lighting module 1 and / or the solar simulator S is made possible.
  • Control unit may comprise a central control unit and / or communication between a plurality of lighting modules 1.
  • the light- emitting module 21 has eight second light- emitting units 22 and four third light-generating units 23.
  • the second light generating units 22 are different from the second light generating units 3 of the first one , Embodiment in that its primary optics 24 have an elongated, in plan view, contrary to the longitudinal axis L shape ⁇ .
  • Each two second light-generating units 22 are arranged between two outer first light generating units 2, and the third light-generating unit 23 is Zvi ⁇ rule two adjacent second light-generating units 22 are disposed.
  • the primary optics 25 of the third light generating ⁇ units 23 are wider than the primary optics 24 of the second light-generating units 22, but aligned in parallel in plan view.
  • the second light-generating units 22 and the third light-generating units 23 may have the same or different sets 4 of LEDs.
  • the secondary optic 10 designed as a honeycomb condenser makes it possible, in particular in combination with the tertiary optics 12, for its light emitting surface 11 to emit light substantially homogeneously, even if only some of the light generating units 2, 22 and / or 23 are switched on, e.g. only the light generating units 22 and / or 23.
  • Fig. Hellmaschinesvertei- shows a development of a signal generated by the light-emitting modules 1 or 21 sharply defined image or image area B in the plane of the sergeants ⁇ tertiary lens 12.
  • the distance of the image area B from the light-emitting module 1 is approximately 450 mm.
  • these rounded intensity distribution with simple means generates the light-emitting module 1 or 21 a defi ⁇ ned pincushion Distortion V ("silk aberration") of the rectangular basic shape G.
  • This may mean, in particular, that the corners of the image area B protrude outward from the rectangular basic shape G.
  • the outer contours of the basic shape G and the distortion V are shown schematically again.
  • FIG. 5 shows a plan view of an arrangement of image areas B of a plurality of directly adjacent lighting modules 1 of a solar simulator S ("array-like planar arrangement").
  • the pad-shaped distortions V at least partially compensate for the drop in intensity at the edge of the respective secondary element 10 or basic shapes G of the image regions B by superimposing themselves, and possibly also the outermost edge regions of the sides of the basic shapes G.
  • the pincushion distortion V is therefore retained here with a relatively small effort to increase in intensity at the edge of the associated image area B.
  • a highly homogeneous light distribution results, both chromatically and in terms of its power density distribution.
  • the solar spectrum SpS is dotted, while the LED spectrum SpL is drawn continuously.
  • the LED spectrum SpL is composed here of five different color channels, which are generated by means of five groups of LEDs. However, fewer, in particular four, as well as more color channels can be used. Because of the engagement several color channels, the solar spectrum SpS can be approximated more closely.
  • a beam intensity of more than 1000 W / m 2 can generally be generated by the light module 1, which is higher than the radiant intensity of the sun on the ground in middle latitudes, such as in Central Europe, so that solar-related aging effects in a shorter time are ⁇ bar.
  • the light emitting module or the light-emitting modules 1 thus give the Prior ⁇ part that a power and a spectral distribution of the mixed light (a) very homogeneous, (b) over a large area, and (c) in high accuracy (for example, for measurement purposes) reproducibly Can be made available.
  • the lighting module 1 and / or the solar simulator S can be equipped in particular with a water cooling, in order to effectively dissipate waste heat generated in the generation of light or radiation.
  • the substrates of the LEDs can be thermally connected to a water cooling device.
  • the use of water cooling has the advantage that a very effective heat dissipation can be achieved, whereby a low junction temperature can be maintained even at high operating currents. Also, such a life is extended. In addition, an effective LED operation is possible with low temperature losses.
  • the water cooling also supports the stability of light generation and light output, both in terms of intensity and spectral constancy (avoidance of a thermally induced spectral shift). In addition, the water cooling simplifies a common use of a large number of lighting modules 1, in particular in an array-like planar arrangement.
  • the water-cooling device of the solar simulator for example, can be connected to the Fabrikkühlwas ⁇ water circuit.
  • flash mode As an alternative to the water cooling, however, air cooling is also possible, in particular during operation of the lighting modules 1 in a flash mode ("flash mode").
  • a specific ultraviolet light comprising forming color channel be ⁇ be made available, for example by the use of UV-LEDs, for example in the near UV range, for example, in a wavelength ranges of (370 +/- 50) nm.
  • one or more color channels of the light entering the Sekundärop ⁇ tik 10 may have been at least partially generated by a wavelength conversion, namely directly in the area of an emitter surface of the LED (s) ( “chip-level conversion") or (in some distance therefrom "remote phosphor”).
  • a wavelength conversion namely directly in the area of an emitter surface of the LED (s) ( "chip-level conversion") or (in some distance therefrom "remote phosphor”).
  • one or more phosphors can be used, in particular luminescent phosphors, especially fluorescence and / or Phosphores ⁇ zenz phosphors.
  • multi-band phosphors can be used in particular, insbeson ⁇ particular in the visible range. In the case of chip-level conversion, blue light in particular may be converted into green light and / or into red light.
  • the semiconductor light sources like generally through a suitable classification ( "binning") having a widened wavelength range or expanded spectral widths single ⁇ ner colors.
  • the light of different semiconductor light sources and / or wavelength ranges may generally overlap spectrally at least partially ("inter-channel mixture") or show substantially no overlapping.

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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 Primäroptik (6, 7) aufweist; eine den Lichterzeugungseinheiten (2, 3) nachgeschaltete, lichthomogenisierende Sekundäroptik (10); eine der Sekundäroptik (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

Beschreibung
Solarsimulator und Verfahren zum Betreiben eines Solarsimulators .
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 schnellzykli¬ schen Messungen ergibt, da ein Einfluss einer Kondensatorla- dung 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 nachgeführt werden. Außerdem wird eine hohe Leistung in Wel- lenlängenbereichen verbraucht, in denen Solarzellen nicht aktiv sind.
DE 10051357 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Solarzellen, welche mindestens 400 Festkörperstrahlungs- quellen enthält, und zwar in einer matrixförmigen flächigen Anordnung zur Aussendung von monochromatischem Licht (Matrixlichtquelle) bei einem Spektrum von 880 nm vorzugsweise für Siliziumzellen. Die Matrixlichtquelle ist als XY-Matrix aus¬ gebildet, wobei die Ströme der Festkörperlichtquellen indivi- duell steuerbar sind. Die Matrixlichtquelle kann Gruppen von Festkörperlichtquellen unterschiedlicher, spektraler Lichtaussendung aufweisen, wobei durch eine geeignete Ansteuerung der Gruppen ein gewünschtes Mischspektrum erzeugbar ist. US 2008/0115830 AI offenbart Sätze von Solarzellen und Linsen, die sich auf einer Oberfläche eines Solarkonzentratormo- duls befinden. Die Solarzelle befindet sich in einem Brenn- punkt der Linse. Die anderen Sätze, deren Solarzellen durch Beleuchtungsvorrichtungen ersetzt werden, befinden sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Solarkonzentratormo- duls. Jeder weitere Satz ist umgekehrt auf einem vorherigen Satz aufgesetzt. Daher wird Licht, welches durch den letzte¬ ren Satz und den vorherigen Satz scheint, von der Leuchtvorrichtung auf die Solarzelle fokussiert.
DE 10 2007 059 130 AI und DE 10 2007 059 131 AI geben Verfah- ren und Anordnungen zur Einstellung eines Farborts sowie ein Leuchtsystem an. DE 10 2007 059 130 AI beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts mindestens einer Leucht¬ quelle, bei dem eine Temperatur ermittelt wird und bei dem abhängig von der ermittelten Temperatur der Farbort der min- destens einen Leuchtquelle eingestellt wird. Zudem wird eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens beschrieben. DE 10 2007 059 131 AI beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts, bei dem n Leuchtquellen vorgesehen sind, von denen n-3 Leuchtquellen voreingestellt werden oder voreinge- stellt sind, bei dem ein Farbortunterschied der n Leuchtquel¬ len von einem Sollfarbort bestimmt wird und bei dem die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird. Ferner wird eine Anord¬ nung zum Durchführen des Verfahrens beschrieben.
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 An- sprüche gelöst. Bevorzugte Aus führungs formen sind insbesonde¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Solarsimulator mit mindestens einem Leuchtmodul, wobei das mindestens eine Leucht- modul aufweist: mehrere Lichterzeugungseinheiten, wobei jede der Lichterzeugungseinheiten mindestens eine Halbleiterlicht¬ quelle mit einer nachgeschalteten, lichtbündelnden Primärop- tik aufweist; eine den Lichterzeugungseinheiten nachgeschal¬ tete, lichthomogenisierende Sekundäroptik; und eine der Se¬ kundäroptik nachgeschaltete, abbildende Tertiäroptik; wobei die Halbleiterlichtquellen Licht in mehreren, separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen 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 über eine große Fläche und mit hoher Genauigkeit (z.B. für Messzwecke) reproduzierbar zur Verfügung gestellt werden. Mit anderen Worten kann an jedem Ort der bestrahlten Fläche 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, beispielswei¬ se von ca. 400 mm, was kompakte Anordnungen erlaubt.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlicht¬ quelle 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 wellenlängenumwandelnden 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 vorlie¬ gen. 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. Po- lymer-OLEDs ) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z.B. mindestens einen Diodenlaser auf¬ weisen.
Die lichtbündelnde Primäroptik dient dazu, einen Öffnungswin- kel eines von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle er¬ zeugten, 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 an¬ steuerbaren Wellenlängenbereiche gehörigen Halbleiterlicht¬ quelle (n) auf eine fest vorgegebene Weise, z.B. mit einem fest vorgegebenen Strom oder Stromverhältnis angesteuert wer- den können. Alternativ können die Halbleiterlichtquelle (n) variabel angesteuert werden, z.B. um eine Lichtintensität 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 ermöglicht eine besonders homogene Lichtverteilung in der nachgeschalteten lichthomogenisierenden Sekundäroptik.
Die Primäroptik kann beispielsweise einen Lichtleiter umfassen. Das in den kollimierenden Lichtleiter eintretende Licht kann insbesondere an den freien seitlichen Oberflächen durch Totalreflexion reflektiert werden ("TIR ('Total Inner Reflec- tion ' ) -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 Pa- rabolic Concentrator" ) , ein CHC ( "Compound Hyperbolic Con- centrator" ) -Konzentrator, ein CEC ( "Compound Elliptic Concentrator" ) -Konzentrator usw. Jedoch können auch andere Kol- limationsoptiken verwendet werden. Der Lichtleiter kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff bestehen. Die Primäroptik kann alternativ oder zusätzlich als ein Reflektor, insbesondere schalenförmiger Reflektor, ausgestaltet sein. Es ist auch eine Weiterbildung, dass mindestens zwei (bau¬ lich) 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, Aus¬ gestaltung, dass die Sekundäroptik einen Wabenkondensor um- fasst. Der Wabenkondensor kann beispielsweise zwei auf einem gemeinsamen Substrat doppelseitig aufgebrachte Mikrolinsen- felder aufweisen. Der Wabenkondensor kann alternativ zwei auf beabstandet angeordneten Substraten jeweils einseitig aufge¬ brachte Mikrolinsenfeider 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 Tertiäroptik mag einer oder mehreren Sekundäroptiken nachgeschaltet sein. Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass die Tertiärop¬ tik eine definierte kissenförmige Verzeichnung ("Seideische Abberation") erzeugt. So kann bei einer arrayartig flächigen Anordnung mehrerer Leuchtmodule, bei welcher die Bilder oder Bildbereiche der Leuchtmodule benachbart zueinander proji¬ ziert werden, eine besonders homogene Lichtverteilung über mehrere Bildbereiche ermöglicht werden, weil die kissenförmi- gen Verzeichnungen bei ihrer Überlagerung einen Helligkeitsabfall am Rand der einzelnen Bildbereiche zumindest teilweise ausgleichen können.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Tertiäroptik mindestens ein Bild oder einen Bildbereich eines von einer Sekundäroptik abgestrahlten Strahlbündels mit einer dicht packba¬ ren 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 hexagona- le Grundform umfassen.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Halbleiterlichtquel¬ len Licht in mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen. Diese Zahl von Wellenlängenbereichen ermöglicht bereits eine praktisch sinnvolle Annäherung an das Sonnenspektrum bei einem gleichzeitig geringen Ansteuerungsaufwand . So können die in DE 10 2007 059 130 AI und DE 10 2007 059 131 AI 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 Wellenlängen¬ bereichs (Farbkanals), n Wellenlängenbereiche vorgesehen sind, von denen n-3 Wellenlängenbereiche bzw. deren Halblei¬ terlichtquellen 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. Insbeson- dere kann der Farbortunterschied anhand mindestens einer Messeinrichtung bestimmt wird, wobei die mindestens eine Messeinrichtung insbesondere einer der folgenden Sensoren um- fasst: einen Helligkeitssensor, insbesondere ein V^- 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 Ren- dering Index, Color Quality Scale oder eine anwendungsabhän- gige spektrale Verteilung einen vorgegebenen Wert möglichst gut erreicht. Insbesondere kann eine Optimierung hinsichtlich der mindestens einen Zielgröße vorab durchgeführt wird und insbesondere als eine Ansteuerinformation für die n-3 Wellenlängenbereich bzw. deren Halbleiterlichtquelle (n) bereitge- stellt wird. Ferner kann die Einstellung der mindestens einen Zielgröße anhand der n Wellenlängenbereiche bzw. deren Halb¬ leiterlichtquelle (n) mittels mindestens einer der folgenden Parameter erfolgt: Lichtstrom, Beleuchtungsstärke, Lichtstärke oder Leuchtdichte. Auch können die drei nicht voreinge- stellten Wellenlängenbereiche bzw. deren Halbleiterlichtquel¬ le (n) ein Dreieck in einem CIE x-y-Diagramm aufspannen, wobei das Dreieck insbesondere eine möglichst große Fläche auf¬ weist. 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 Wel- lenlängenbereich Infrarotstrahlung umfasst.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Wellenlängenbereich Ultraviolettstrahlung ("UV-Wellenlängenbereich") umfasst. So können insbesondere strahlungsinduzier- te Alterungseffekte (Bewitterung) realitätsnah simuliert werden. Insbesondere mag dieser UV-Wellenlängenbereich im nahen Ultraviolett liegen, insbesondere in einem Wellenlängenberei¬ che von ca. (370 +/- 50) nm. Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens eine Licht¬ erzeugungseinheit mehrere Halbleiterlichtquellen aufweist, wobei die Halbleiterlichtquellen Licht in mindestens zwei se¬ parat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen. So kann die zugehörige 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 We- sentlichen aneinander grenzende Bilder oder Bildbereiche erzeugen (arrayartig flächige Anordnung) . Die Lichtverteilung ist vorzugsweise über aneinander grenzende Bildbereiche hin¬ weg im Wesentlichen homogen. So können praktisch beliebig große Flächen mit sonnenähnlichem Licht hoher Leistungsdichte bestrahlt werden.
Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass benachbarte Leucht¬ module Bildbereiche erzeugen, welche sich an ihren verzeichneten Randüberständen, insbesondere Ecken, überlagern. Dies unterstützt, insbesondere zusammen mit einer definierten kis- senförmigen Verzeichnung der einzelnen Bildbereiche, die ho- mogene Lichtverteilung (Intensität und/oder spektrale Vertei¬ lung) über verschiedene Bildbereiche hinweg.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass der Solarsimulator min- destens 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 Spekt¬ ralverteilungen 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 Abfühlen mindestens einer Eigenschaft des erzeugten Lichts eingerichtet sein, beispielsweise mindestens einen Farbsensor und/oder mindestens einen Helligkeitssensor umfas- sen, 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 AI und DE 10 2007 059 131 AI beschrieben verwendet werden. So kann zur Einstellung eines Farborts mindestens eines Leuchtmoduls, mindestens einer Lichterzeugungseinheit, min¬ destens einer Halbleiterlichtquelle und/oder mindestens eines Wellenlängenbereichs (Farbkanals) eine Temperatur ermittelt werden und abhängig 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 Lichter- zeugungseinheit oder einer Halbleiterlichtquelle (z.B. gemes¬ sen direkt an der Halbleiterlichtquelle oder an einem zugehö¬ rigen Substrat usw.) sein. Die Temperatur kann insbesondere anhand des mindestens einen Temperatursensors, insbesondere anhand eines Heißleiters und/oder eines Kaltleiters, ermit- telt werden. Alternativ oder zusätzlich 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 Hellig- keit und Wellenlänge, insbesondere Spitzenwellenlänge des Wellenlängenbereichs, der mindestens einen Leuchtquelle er¬ mittelt werden. Die Helligkeit und die Wellenlänge können ab¬ hängig von vorgegebenen Kalibrierdaten ermittelt werden. Die Helligkeit und die Wellenlänge können auch abhängig von einer Alterungsinformation betreffend das mindestens eine Leuchtmo¬ dul, 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 ein¬ gestellt werden, dass der Farbort erreicht wird. Insbesondere kann das mindestens eine Leuchtmodul, Lichterzeugungseinheit und/oder Halbleiterlichtquelle iterativ so eingestellt wer¬ den, dass der Farbort erreicht wird. Jedoch sind für eine solche Einstellung des Farborts alternativ oder zusätzlich auch andere Sensoren, Färb- und/oder Helligkeitssensoren, einsetzbar
Es ist besonders vorteilhaft, wenn für jedes Leuchtmodul ent¬ sprechende Sensoren (insbesondere Färb-, Helligkeits¬ und/oder Temperatursensoren) zur Einstellung des Farborts (insbesondere für dessen Kalibrierung) für 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 Leucht¬ modul 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 Farbka¬ näle 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"), um- fasst .
Insbesondere zur Abstimmung einer Lichtabstrahlung mehrerer Leuchtmodule des Solarsimulators, insbesondere zur Abstimmung ihrer Farborts, können 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 Leuchtmo¬ dule) 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 bei¬ spielsweise an eine Messapparatur der zu bestrahlenden Solarzelle (en) ankoppelbar sein. Dies ermöglicht eine Korrelation und Feinkorrektur des Messwerts der Solarzelle bei jeder Mes¬ sung .
Es ist ferner eine Weiterbildung, dass das Leuchtmodul und/oder der Solarsimulator mit einer Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkühlung, 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 Was¬ serkühlung unterstützt ferner die Stabilität der Lichterzeu¬ gung und Lichtausgabe. Darüber hinaus vereinfacht die Wasser¬ kühlung eine gemeinsame Verwendung einer hohen Zahl von Leuchtmodulen .
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Wasserkühlung des Solarsimulators an einen wärmerückgewinnenden Kühlwasserkreislauf angeschlossen ist, z.B. einer Fabrik. Dadurch wird ein besonders energiesparender Betrieb des Solarsimulators ermöglicht .
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrei¬ ben eines Solarsimulators, insbesondere wie oben beschrieben, wobei die Lichterzeugungseinheiten bzw. Halbleiterlichtquel¬ len 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 Ele¬ mente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Fig.l zeigt in einer Ansicht von schräg seitlich ein
Leuchtmodul gemäß einer ersten Aus führungs form für einen Solarsimulator;
Fig.2 zeigt das Leuchtmodul gemäß der ersten Ausführungs¬ form in einer Ansicht von schräg hinten;
Fig.3 zeigt ein Leuchtmodul gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von vorne;
Fig.4 zeigt eine Helligkeitsverteilung eines mittels eines der Leuchtmodule erzeugten Bilds;
Fig.5 zeigt in Draufsicht eine Anordnung von Bildern mehrerer Leuchtmodule eines Solarsimulators; und
Fig.6 zeigt eine spektrale Verteilung des von dem Leucht¬ modul erzeugten Bilds.
Fig.l zeigt in einer Ansicht von schräg seitlich ein Leuchtmodul 1 für einen Solarsimulator S. Fig.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, nämlich fünf erste Lichterzeugungseinheiten 2 und vierundzwanzig zweite Lichterzeugungseinheiten 3. Die ersten Lichterzeugungseinheiten 2 und die zweiten Lichterzeugungseinheiten 3 sind bezüglich einer Längsachse L des Leuchtmo¬ duls 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 Wel¬ lenlängenbänder aufweisen können, z.B. sichtbares Licht und/oder IR-Licht abstrahlen können. Dazu können z.B. LEDs unterschiedlicher Farbe (d.h. LEDs, welche Licht unterschied¬ licher Wellenlänge abstrahlen) verwendet werden, wobei zu¬ sätzlich 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 vorlie¬ gen, welche z.B. auf einem gemeinsamen Keramik-Substrat auf¬ gebracht sind. Die LEDs können als einzeln gehäuste Hoch¬ leistungs-LEDs vorliegen. Jeder der Sätze 4, 5 ist mit einer Flüssigkeitskühlung 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 Öff¬ nungswinkel von Θ = 90° in Bezug auf die Hauptabstrahlachse, optische Achse oder Längsachse wird somit verkleinert, bevor¬ zugt 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 parabelför- migen Querschnittsprofil. Die IR-LEDs des jeweiligen Satzes 4 strahlen also in die Primäroptik 6 ein und werden zum Teil an den IR-reflektierend ausgestalteten Innenwänden der Primäroptik 6 reflektiert und zum Teil unreflektiert durch eine vor¬ dere Lichtaustrittsebene 8 ausgegeben.
Die dem jeweiligen Satz 5 nachgeschaltete Primäroptik 7 liegt in Form eines Lichtleiters vor. Die LEDs des jeweiligen Sat¬ zes 5 strahlen also in die Primäroptik 7 ein und werden zum Teil an den Außenseiten der Primäroptik 7 totalreflektiert und zum Teil unreflektiert durch eine vordere Lichtausgabe¬ fläche 9 ausgegeben. Die Primäroptik 7 kann beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas, oder aus Kunststoff beste¬ hen, insbesondere zyklischen Olefin-Polymeren (COP; "Cycloo- lefin Polymer") wie sie beispielsweise unter dem Namen Zeonex oder Zeonor von der Firma Zeon Europe GmbH, Deutschland, erhältlich sind, oder zyklischen Olefin-Copolymeren (COC; "Cyc- loolefin Copolymer") wie sie beispielsweise unter dem Namen TOPAS von der Firma TOPAS Advanced Polymers GmbH, Deutsch¬ land, 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 Längsachse L rechteckigen Grundform nachgeschaltet. Die Sekundäroptik 10 dient unter anderem dazu, das von den Lichterzeugungseinheiten 2, 3 eingestrahlte Licht über eine Lichtabstrahlfläche 11 der Sekundäroptik 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 Flä¬ che .
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sekundäroptik 10 als ein Wabenkondensor ("Fly's Eye") ausgestaltet. Der Wa¬ benkondensor kann insbesondere zwei optisch in Serie geschal¬ tete, versetzt angeordnete Felder mit wabenförmigen Matrix- Anordungen von Mikrolinsen aufweisen, wobei die Subaperturen der Mikrolinsen des ersten Felds insbesondere deckungsgleich durch die Tertiäroptik 12 (siehe unten) auf die Zielebene ab¬ gebildet werden (können) . Insbesondere in Kombination mit den auf einen Öffnungswinkel von bevorzugt auf θ ^ ca. 15°, noch bevorzugter auf θ ^ ca. 10°, lichtbündelnden Primäroptiken 6 und 7 ist durch die Sekundäroptik 10 ein hoher Homogenisierungsgrad erreichbar.
Der Sekundäroptik 10 ist optional eine abbildende Tertiärop- tik 12 in Form hier einer Fourieroptik, insbesondere Fourierlinse, insbesondere einer raumsparenden Fresnel-Linse, nach¬ geschaltet, um das von der Sekundäroptik 10 auf einen gewünschten Bildbereich B, welcher sich in oder an einem Brennpunkt der Tertiäroptik 12 befindet, wie z.B. in Fig.4 ge- zeigt, 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 Tertiäroptik 12 mag auch eine anders geformte Außenkontur aufwei¬ sen, 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 unterschiedli¬ cher Lichterzeugungseinheiten 2, 3, gemeinsam und ggf. auch unabhängig von anderen LEDs ansteuerbar sind, z.B. bezüglich ihres Betriebsstroms. In anderen Worten können insbesondere separate Farbkanäle des Leuchtmoduls 1 und/oder des Solarsi¬ mulators S individuell angesteuert werden. Beispielsweise können 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 wer¬ den. 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 Solarsimula¬ tor S erzeugten Mischlichts variabel einzustellen oder einzuregeln. Insbesondere kann so das Mischlicht einer Sonnen¬ lichteigenschaft über einen Tagesverlauf nachempfunden wer¬ den, 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 können auf rückgestreutes und/oder rückreflektiertes 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 Re¬ produzierbarkeit 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.
Steuereinheit mag eine zentrale Steuereinheit und/oder Kommunikation zwischen mehreren Leuchtmodulen 1 umfas-
Fig.3 zeigt ein Leuchtmodul 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von vorne. Das Leuchtmodul 21 weist im Gegensatz zu dem Leuchtmodul 1 acht zweite Lichter¬ zeugungseinheiten 22 und vier dritte Lichterzeugungseinheiten 23 auf. Die zweiten Lichterzeugungseinheiten 22 unterscheiden sich von den zweiten Lichterzeugungseinheiten 3 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass ihre Primäroptiken 24 eine in Draufsicht entgegen der Längsachse L längliche Form auf¬ weisen. Je zwei zweite Lichterzeugungseinheiten 22 sind zwischen zwei äußeren ersten Lichterzeugungseinheiten 2 angeord- net, und je eine dritte Lichterzeugungseinheit 23 ist zwi¬ schen zwei benachbarten zweiten Lichterzeugungseinheiten 22 angeordnet. Die Primäroptiken 25 der dritten Lichterzeugungs¬ einheiten 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 Sekundäroptik 10 ermög- licht es, insbesondere in Kombination mit der Tertiäroptik 12, dass ihre Lichtabstrahlfläche 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 häufig zu einem Intensitätsabfall am Rand der Sekundäroptik 10 und vor allem auch am Rand der Bildfläche in der Fourierebene der Tertiäroptik 12 kommen. Fig. zeigt eine Helligkeitsvertei- lung eines mittels des Leuchtmodule 1 oder 21 erzeugten scharf begrenzten Bilds oder Bildbereichs B in der Fouriere¬ bene der Tertiäroptik 12. Der Abstand des Bildbereichs B von dem Leuchtmodul 1 beträgt ca. 450 mm. Durch den Intensitäts¬ abfall ergibt sich meist eine abgerundete Intensitätsvertei- lung, und zwar auch bei einer rechteckigen Funktionsfläche, insbesondere Mikrostrukturanordnung, der Sekundäroptik 10. Um diese abgerundete Intensitätsverteilung mit einfachen Mitteln zu kompensieren, erzeugt das Leuchtmodul 1 oder 21 eine defi¬ nierte kissenförmige Verzeichnung V ("Seideische 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.
Fig.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 ge¬ meinsame, 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 Sekundärop¬ tik 10 bzw. Grundformen G der Bildbereiche B zumindest teil¬ weise dadurch aus, dass sie sich, und ggf. auch die äußersten Randbereiche der Seiten der Grundformen G, überlagern.
Anstelle also den randsseitigen Intensitätsabfall und die kissenförmige Verzeichnung V als unerwünschte Effekte mit ho¬ hem Aufwand separat ausgleichen zu wollen, wird die kissen- förmige Verzeichnung V hier also mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand zur Intensitätserhöhung am Rand des zugehörigen Bildbereichs B beibehalten. Insgesamt ergibt sich eine über die Bildbereiche B hinweg eine sowohl chromatisch als auch in ihrer Leistungsdichteverteilung hochgradig homogene Lichtverteilung. Die einfache arrayartig flächige Konfigu- rierbarkeit ermöglicht also ein im Ganzen verzeichnungsarmes optisches System aus mehreren benachbart angeordneten Leucht¬ modulen 1.
Fig.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 Farbkanälen zusammen, die mittels fünf 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 Wellenlängenbereichen 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 Strahl¬ stärke 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 verkürzter Zeit untersuch¬ bar sind.
Das Leuchtmodul bzw. die Leuchtmodule 1 ergeben also den Vor¬ teil, 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 Fläche 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 Betriebsströmen 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 Wasserkühlung eine gemeinsame Verwendung einer hohen Zahl von Leuchtmodulen 1, insbesondere in einer arrayartig flächigen Anordnung .
Besonders vorteilhaft bei der Nutzung der Wasserkühlung ist die Möglichkeit, die Abwärme in einem Fabrikkühlwasserkreis¬ lauf zurückzugewinnen. Dazu kann beispielsweise die Wasserkühlungseinrichtung des Solarsimulators an den Fabrikkühlwas¬ serkreislauf angeschlossen sein.
Alternativ zu der Wasserkühlung 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 für Bewitterungsanlagen, zusätzlich ein gezielt ultraviolettes Licht aufweisender Farbkanal be¬ reitgestellt werden, z.B. durch den Einsatz von UV-LEDs, beispielsweise im nahen UV-Bereich, z.B. in einem Wellenlängenbereiche von (370 +/- 50) nm.
Für einen oder mehrere Farbkanäle kann das in die Sekundärop¬ tik 10 eintretende Licht zumindest teilweise mittels einer Wellenlängenkonversion erzeugt worden sein, und zwar unmittelbar im Bereich einer Emitterfläche der LED(s) ("chip-level conversion") oder in einiger Entfernung davon ("remote phos- phor") . Zur Wellenlängenkonversion können ein oder mehrere Leuchtstoffe verwendet werden, insbesondere Lumineszenz- Leuchtstoffe, insbesondere Fluoreszenz- und/oder Phosphores¬ zenz-Leuchtstoffe. Zur Wellenlängenkonversion können insbesondere Mehrbanden-Leuchtstoffe eingesetzt werden, insbeson¬ dere im sichtbaren Bereich. Bei der Chip-Level Conversion mag insbesondere blaues Licht in grünes Licht und/oder in rotes Licht umgewandelt werden. Die Halbleiterlichtquellen mögen allgemein durch eine geeignete Klasseneinteilung ("binning") einen aufgeweiteten Wellenlängenbereich oder aufgeweitete spektrale Breiten einzel¬ ner 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.
Bezugs zeichenliste
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 Primäroptik
25 Primäroptik
B Bildbereich
G Grundkörper
L Längsachse
S Solarsimulator
SpS Sonnenspektrum
SpL LED-Spektrum
V Verzeichnung

Claims

Patentansprüche
Solarsimulator (S) mit mindestens einem Leuchtmodul ( 1 ; 21), wobei das mindestens eine Leuchtmodul (1; 21) auf¬ weist:
- mehrere Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23), wobei jede der Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) mindestens eine Halbleiterlichtquelle (4, 5) mit ei¬ ner nachgeschalteten, lichtbündelnden Primäroptik (6, 7) aufweist;
- eine den Lichterzeugungseinheiten (2, 3; 22, 23) nachgeschaltete, lichthomogenisierende Sekundäroptik (10) ;
- eine der Sekundäroptik (10) nachgeschaltete, abbil¬ dende Tertiäroptik (12),
wobei die Halbleiterlichtquellen (4, 5) Licht in mehreren separat ansteuerbaren Wellenlängenbereichen erzeugen .
Solarsimulator (S) 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 10°, 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. 5. 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 um- fasst .
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmodul (1; 21) eine definierte kis- senförmige 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 Ultravio¬ lettstrahlung 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 (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Leuchtmodule (1; 21), wobei die Leuchtmodule (1; 21) im Wesentlichen 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 Randüberständen, insbesondere Ecken, überlagern.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Solarsimulator (S) mehrere Leuchtmodule ( 1 ; 21) aufweist und für eine Kommunikation von Leucht¬ modul (1; 21) zu Leuchtmodul (1; 21) eingerichtet ist.
Solarsimulator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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), ins¬ besondere 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.
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