太陽的表面溫度約為5800 K，這意味著太陽輻射的電磁頻譜與5800 K 的黑體相似,，但它包含了精細(xì)的結(jié)構(gòu),，這是由于太陽外圍的冷氣體吸收(Fraunhofer 線)。當(dāng)太陽與地球相距1 個天文單位( 地球-太陽平均距離為149,597,890 km) 時,，地球外層大氣的太陽輻照度為1360 W m-2,。這個值稱為太陽常數(shù)，是整個電磁光譜的總體輻照度,。圖1 顯示了地球大氣層外太陽輻射的電磁光譜,，所示的范圍為200—2500 nm，包括到達(dá)地球的總輻照度的96.3%,，其余3.7% 大部分為較長波長,。

圖 1. 太陽輻射光譜與地球大氣層外的5800 K 黑體的光譜比較,。

地球表面太陽輻射的電磁頻譜受多種因素的影響，包括直接輻射和散射輻射,。直接輻射是從太陽直接照射到 地球表面的能量,，而散射輻射是從天空散射的光中接收能量，并被周圍環(huán)境反射( 圖2),。在地表測量的總輻射 稱為全局輻射,，其中目標(biāo)表面的方向由全局輻照度確定。對于直接輻射,，目標(biāo)表面與入射輻射正交,。太陽是一個 球形光源，直徑約1.39x106 km,。到地球的平均距離為一個天文單位,。太陽輻射的直接部分是準(zhǔn)直的，角度約為 0.53( 全角),，而“散射”部分是從半球天空和地面反射和散射入射的,。全局輻射，即直接輻射和散射輻射的總和,， 本質(zhì)上是均勻的,。

圖 2. 地球上的總輻射，包含直接輻射,、散射輻射和反射,。

太陽輻射入射到地球表面的數(shù)量受經(jīng)過大氣層的數(shù)量的影響。在任何位置,，這條到達(dá)地面的路徑的長度隨著 時間的推移而變化,，隨著太陽角度的變化，白天地面太陽輻射水平也有明顯的變化,。此外,，由于吸收和散射長度 的變化，光譜的形狀每天都在變化,。由于不穿過任何氣團(tuán),，所以地外光譜被稱為氣團(tuán)0 (AM 0) 光譜。正午時分,， 太陽直射地球赤道,，太陽輻射直接穿過大氣層。在這種條件下,，海平面上的太陽光譜稱為氣團(tuán)1 光譜,。太陽直射 的全局輻射同樣被稱為氣團(tuán)1 全局輻射(AM1G)。任何天頂角的大氣路徑都被簡單地描述為相對于頭頂?shù)臍鈭F(tuán)( 圖 3),。實際路徑長度可以對應(yīng)小于1 的氣團(tuán)( 高海拔地區(qū)),，也可以對應(yīng)日落前非常高的氣團(tuán),。 太陽光模擬 器使用過濾器來模擬空氣質(zhì)量為0 和1.5 時的光譜，這是大多數(shù)比較測試工作的基礎(chǔ),。

圖 3. 路徑長度( 以氣團(tuán)為單位) 隨天頂角的變化而變化,。

太陽光模擬器提供了與太陽光譜接近的光譜匹配。雖然不是很精確,，但已是大多數(shù)應(yīng)用程序中好的,。圖 4 顯示了一個典型的太陽光模擬器的光學(xué)原理。該裝置核心的氙氣弧光燈有一個小而高的發(fā)光弧,，允許有效的 光束準(zhǔn)直,。它發(fā)出的光譜類似于5800 K 的黑體，偶爾有線條結(jié)構(gòu),。系統(tǒng)的設(shè)計特點包括低焦距比采集圖形,，光束均勻化和濾波，最后是準(zhǔn)直,。該模擬器在均勻,、準(zhǔn)直的光束中產(chǎn)生連續(xù)的太陽光譜輸出。光束準(zhǔn)直模擬了地球上 的光束,，并模擬表征了輻射誘發(fā)的現(xiàn)象,。

圖 4. 太陽光模擬器的光程模擬系統(tǒng)。

由于氙氣具有強(qiáng)原子發(fā)射線,，氙燈的輸出在800—1100 nm 波長范圍內(nèi)，與太陽光譜不同,。太陽光模 擬器使用過濾器來減少這些原子發(fā)射線的影響,。紅外失配的影響取決于應(yīng)用場合。AM Direct 和AM 1.5 濾波器 對光譜的可見光和紫外光部分進(jìn)行了修改,，使其與標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜能夠更好地匹配,。

紫外增強(qiáng)型太陽光模擬器適用于需要強(qiáng)紫外光源的工作，而不需要復(fù)雜的可見光和紅外加熱,。這對于活體生物研究尤為重要,。紫外增強(qiáng)模擬器類似于全光譜太陽光模擬器，然而,，為減少輻射在可見光和紅外區(qū)域的光譜,， 它們的光譜分布需要修改。自然陽光包括UVA 和UVB 輻射,，UVA 和UVB 區(qū)域的研究引起人們廣泛的關(guān)注,。