太阳光模拟器准直度是衡量模拟器输出光束平行程度的参数，用平行光半角（degree）表示。准直度直接影响聚光光伏测试、HUD阳光倒灌测试和航天器标定等应用的测试精度。我们上海科迎法电气在太阳光模拟器准直度设计和光学系统方面积累了丰富经验。本文从光电测试工程师的角度出发，把准直度定义、半角计算、光源类型对准直度的影响和选型方法讲清楚。
太阳光模拟器准直度怎么选？
一、准直度的定义和物理含义
准直度定义。太阳光模拟器准直度是指输出光束中光线的平行程度。理想的太阳光是准直光（平行光），太阳光从1.5亿千米外到达地球，到达地球时几乎完全平行。实际上太阳光有约0.27度的视直径（太阳角直径），这就是自然太阳光的准直度。
平行光半角。平行光半角是衡量准直度的参数，定义为光束中光线与光轴的最大夹角。半角越小光束越接近平行光。自然太阳光的半角约0.27度（太阳视半径）。
光束发散角。光束发散角等于2倍半角。半角0.27度的光束发散角约0.54度。部分厂家用发散角表示准直度，部分用半角，注意区分。
准直度对测试的影响。准直度影响光束在测试面上的光斑尺寸和辐照度分布。准直光束（半角小）在传播过程中光斑尺寸几乎不变，辐照度分布稳定。非准直光束（半角大）在传播过程中光斑扩大，辐照度降低。对于需要远距离照射的应用（如HUD测试），准直度直接影响到达测试面的光强和光斑尺寸。
二、不同光源类型的准直度
短弧氙灯。短弧氙灯的弧长1到10毫米，近似点光源。点光源通过抛物面反射镜或透镜准直为平行光，准直度高。短弧氙灯太阳光模拟器的半角通常0.5到2度。配合高质量光学系统（大口径反射镜和准直透镜）可达0.3到0.5度半角。
长弧氙灯。长弧氙灯的弧长10到100毫米，近似线光源。线光源的准直性不如点光源，光束在一个方向（垂直于弧长方向）准直好，在另一个方向（沿弧长方向）准直差。长弧氙灯的半角通常2到5度。不适合需要高准直度的应用。
LED阵列。LED是面发光元件，每个LED的发光角约120度（朗伯发光）。LED阵列通过准直透镜阵列将每个LED的光准直，但LED面光源特性限制了整体准直度。LED太阳光模拟器的半角通常2到5度。不适合高准直度应用。
金卤灯。金卤灯的弧长5到30毫米，准直性介于短弧和长弧氙灯之间。半角通常1到3度。
准直度排序。短弧氙灯（0.3到2度）优于金卤灯（1到3度）优于长弧氙灯和LED（2到5度）。需要高准直度选短弧氙灯。
三、准直度测试方法
光斑扩展法。在光源不同距离处测量光斑尺寸。如果光斑尺寸随距离增大而增大，说明光束有发散角。测量两个距离的光斑直径，计算发散角。发散角等于光斑直径差除以两倍距离差。
准直度测试仪。使用准直度测试仪（如光束 profiler 或 shearing interferometer）直接测量光束发散角。测试仪放置在光束中，测量光线的角度分布。
角度扫描法。在光束中放置一个小孔光阑，光阑后放置辐射计。旋转光阑（或光源），测量不同角度的辐照度。辐照度随角度的分布即为光束角分布，最大角度即为半角。
四、不同应用的准直度要求
标准光伏测试。标准光伏IV测试（电池片和组件）对准直度要求低，半角5度以内即可。因为测试距离短（光源到样品约10到50厘米），光斑扩展不明显。标准太阳光模拟器不标注准直度参数。
聚光光伏测试（CPV）。聚光光伏电池设计在聚光条件下工作（数倍到数百倍太阳光强）。CPV测试需要高准直度模拟器，因为聚光光学系统（菲涅尔透镜或抛物面反射镜）依赖入射光准直度。CPV测试标准要求半角不大于0.75度（对应太阳视直径约1度）。高准直度模拟器通常使用大口径反射镜和短弧氙灯。
HUD阳光倒灌测试。汽车HUD（抬头显示器）在阳光直射下可能出现阳光倒灌（阳光通过HUD光学系统反射到驾驶员眼睛）。HUD阳光倒灌测试需要模拟太阳光直射，准直度要求高。半角不大于0.75度（模拟太阳视直径）。准直光束确保只有平行于光轴的光进入HUD光学系统，模拟真实太阳光。
航天器标定。航天器在轨道上接收的太阳光几乎完全平行（半角0.27度）。航天器太阳传感器和光学器件标定需要高准直度模拟器。半角要求0.3到0.5度。使用大口径反射镜和短弧氙灯。
材料光老化试验。材料光老化试验对准直度要求低，半角5度以内即可。因为老化试验关注累积辐照量而非光束方向。
光催化实验。光催化实验对准直度要求低，半角5度以内即可。因为光催化关注光强密度而非光束方向。
五、高准直度太阳光模拟器的光学系统
抛物面反射镜。短弧氙灯放在抛物面反射镜的焦点上，反射光为准直平行光。反射镜口径越大准直度越好（但成本越高）。反射镜面形精度（PV值）影响准直度，面形精度优于λ/4（波长四分之一）时准直度好。
准直透镜。在反射镜和测试面之间放置准直透镜（大口径凸透镜或透镜组），进一步准直光束。透镜口径和焦距决定准直度。透镜材料需要透射模拟器光谱范围（紫外到近红外）。
光阑。在光束中放置光阑（小孔），只让中心部分光通过。中心部分光准直度好于边缘部分（反射镜边缘面形精度可能低于中心）。光阑减小半角但降低光强。
积分球后准直。部分高准直度模拟器使用积分球匀光后再准直。积分球输出的光均匀但发散角大（约180度），通过准直透镜准直为平行光。积分球后准直的准直度取决于透镜质量。
六、选型要点
确认准直度要求。标准光伏测试不要求准直度。CPV测试半角0.75度以内。HUD测试半角0.75度以内。航天器标定半角0.3到0.5度。
确认光源类型。高准直度选短弧氙灯加抛物面反射镜。不选LED和长弧氙灯。
确认光学系统。确认反射镜口径和面形精度。确认是否使用准直透镜。光学系统口径越大成本越高。
确认光强。高准直度模拟器通过光阑减小半角但降低光强。确认在目标准直度下的辐照度是否满足要求（如1Sun）。
确认光斑尺寸。高准直度模拟器光斑尺寸通常较小（50到200毫米），因为大口径光学系统成本极高。确认光斑尺寸覆盖样品。
选型总结。太阳光模拟器准直度选型的关键是确认应用场景的准直度要求。标准测试不需要高准直度。CPV和HUD测试选半角0.75度以内。航天器标定选半角0.3到0.5度。我们科迎法电气提供多种准直度等级的太阳光模拟器方案，欢迎咨询选型。
