太阳能模拟器是一种利用人工光源模拟太阳辐射的设备,而光照均匀性是太阳模拟器、照明源等应用在建筑、计算机视觉、光伏电池测试和生物医学等系统中的基本要求。对于这些应用场景,光照不均匀可能会导致部分阴影、眩光和测量不确定性等一系列的负面影响。扩展均匀光源的应用,如光色混合功能,可以为高质量的测试环境提供稳定或可调的光谱。本研究目的是对太阳能电池测试领域的积分球匀光系统进行设计及优化,提出了环形屏积分球结构和椭球反射镜与积分球的协同匀光结构,利用蒙特卡洛光线追踪进行仿真模拟,优化结构参数并进行了测试验证。研究重难点在于搭建积分球匀光结构的实物系统,并对系统的辐照均匀性、光谱匹配性、散热特性进行验证和测试。主要研究内容如下:(1)针对多光源内置的场景,为增加系统光通量、保证均匀照明,提出一种环形屏积分球光源结构,通过蒙特卡洛光线追迹对系统的参数进行了优化。(2)在考虑热耗散的情况下,针对多色光谱均匀混合,提出一种椭球反射镜与积分球的协同光源结构,为使更多光线耦合到球腔中并保持光照均匀性,推导椭球面反射器聚焦方程,确定了球腔的入光口大小。仿真结果表明,同时考虑均匀性和有效测试面积,最佳出光口尺寸为球腔的15%-30%。(3)为稳定控制LED光源,设计了压控式恒流源驱动电路模块,由ARM单片机、恒流源电路、PWM信号转模拟电压电路、多色LED灯等组成。恒流源电路输出恒定的电流,驱动光源发光,基于Labview虚拟仪器技术实现对多路LED灯0-3.3V电压的稳定控制。(4)研制积分球样机并搭建实物系统,氙灯作光源进行热分布及照度均匀性试验,测试平面89.4%的圆域内辐照不均匀性可控于2%范围内。采用三个椭球反射器对系统的混色性能进行研究,聚焦三色LED光线,在出光口90%圆半径范围内设置25个采样点,光谱的最大均方根误差为1.4%。该结构简化了设计过程,对光源类型的依赖性较小。