CN101158600A - 分布光度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布光度计。包括两个独立基座，在第一基座上设置绕水平转动中心线转动的转臂，在转臂上设置椭圆形旋转平面光学反射镜，第一光学探测器，第二光学探测器和第二激光器，随转臂一起绕被测光源转动，被测光源可绕自身垂直轴转动，在第二基座上设置垂直的圆形或椭圆形平面光学反射镜；旋转光学反射镜把被测光源发出的光线束反射到垂直光学反射镜，经垂直光学反射镜反射后光线束正入射到第一光学探测器上，在远距离下实现对大型和中型灯或灯具的测量；第二光学探测器直接对准被测光源，在近距离下实现对小型灯或灯具的测量。本发明测试暗室占用空间小，测量精度高，通过选用不同的光学探测器，无需另行对准和调节仪器即可实现不同的测量臂长(测量距离)的测量。

Description

分布光度计
技术领域
本发明涉及一种光和辐射测量仪器，主要用于各类光源和灯具在各方向上的光强分布或配光性能测试，以及光源和灯具的总光通量测试的分布光度计。
背景技术
空间各方向上的光强分布是光源和灯具的重要参数，分布光度计是精确测量光源和灯具的光强随角度分布的仪器。现有的大型反射镜式分布光度计通常有两种方案，一种是中心转动反射镜式分布光度计(如GO-DS系列分布光度计)，如图1所示，该类方案的分布光度计在测量时光学反射镜处于转动中心，而被测光源绕光学反射镜转动中心同时在圆周上运动；另一种是圆周运动反射镜式分布光度计(如G0-R100系列分布光度计)，如图2所示，该方案的分布光度计使被测光源处于作圆周运动的反射镜的旋转轴上，光学反射镜绕被测光源旋转，把光源所发出的光经反射镜后反射到光学探测器上。这两种方案虽然是目前较精确的光强分布的测量方案，但是它们却有各自的缺陷。首先，它们都存在一个同样的问题：暗室占用的空间很大。在需要的测量臂长(测量距离)较大时，往往要占用相当长度的暗室空间，实现测试的成本投入很大。此外，就中心转动反射镜分布光度计而言，被测光源要在一个相当大的空间范围内运动，由于气流、运动速度、加速度和离心力的必然存在，被测光源燃点时很难保证其高稳定状态，这是这一方案无法克服的原理性问题；而就圆周运动反射镜分布光度计而言，它的被测光源处于相对静止状态，且可按光源自然位置点燃，光源点燃是最稳定的，但是现有方法中面向被测光源的水平放置的光学探测器收到的被测光束光轴因斜入射到光学探测器而带来测量误差，而且为了接收到处于整个圆周运动的反射镜反射过来的光线，要求光学探测器有较大的接收孔径，这样会让较多的杂散光进入光学探测器，从而影响测试精度，此外，在测试不同大小和光束角的光源时，需在不同测量臂长(测量距离)下进行测量，而调节圆周运动反射镜分布光度计的测量距离时，不仅要求调节光学探测器的位置，还要求调节接收孔径和反射镜的角度，从而使整个测量臂长(测量距离)调节相当复杂，而且在较长测量距离下占用暗室空间较大。
发明内容
为了克服现有分布光度计方案中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种分布光度计，以充分利用暗室空间，减少暗室占地，保持光源高度稳定，减少杂散光干扰，从而减小测量误差，通过选用设置于不同位置的光学探测器，无需另行对准和调节仪器即可实现大的和较短的测量臂长(测量距离)；一台分布光度计就可方便地实现包括LED、HID、卤素灯、荧光灯等极宽范围的多种光源和灯具的多种光和辐射分布性能精确测量的分布光度计。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，即：一种分布光度计，其特征在于包括第一基座和第二基座；第一基座上设有转动中心线，在第一基座上与转动中心线同轴设有固定轴，灯臂一端与固定轴相连，灯臂的另一端设有被测光源的旋转驱动装置；使被测光源绕与转动中心线垂直相交的自转轴旋转，固定轴通过外套轴承设有可绕转动中心线转动的转轴，转轴再通过外套轴承与固定于第一基座的轴形支承座相连，以增强整个分布光度计的刚度；转轴一端刚性连接转臂，旋转光学反射镜和第一光学探测器安装在转臂的两端上；垂直光学反射镜固定安装在第二基座上，垂直光学反射镜与转动中心线垂直；旋转光学反射镜把来自被测光源的光线束反射到垂直光学反射镜上，经垂直光学反射镜反射后的光线束正入射到第一光学探测器；所述的旋转光学反射镜为圆形或椭圆形或八边形平面光学反射镜；所述的垂直光学反射镜为圆形或椭圆形或八边形平面光学反射镜。通过垂直光学反射镜折返光路使分布光度计所占用的暗室空间大大减少，第一光学探测器与旋转反射镜设在同一刚性转臂上，确保了第一光学探测器与旋转反射镜在测量过程中的绝对同步，保证了测量精度。光学反射镜除了起到反射光束作用外还起到孔径限制光阑的作用，因此反射镜的形状对减少分布光度计的杂散光水平至关重要，在不产生渐晕的情况下椭圆形或八边形的旋转光学反射镜和圆形或椭圆形或八边形的垂直光学反射镜可使反射镜的面积尽可能小，以减少杂散光，此外尽量小的反射镜更有利于分布光度计的刚性和减少转动惯量，对大型高精度分布光度计而言，其刚性和转动惯量是十分关键的技术指标。在转臂上并在第一光学探测器附近设置第二光学探测器，第二光学探测器正对被测光源，第二光学探测器光轴与转动中心线相交且垂直，并通过转动中心线与自转轴的交点，在不经过旋转光学反射镜和垂直光学反射镜反射(此时反射镜用不反光的黑绒布罩起来)的情况下，第二光学探测器即可在较短的距离下(通常为1到3米)实施对光源分布性能的测量，第二光学探测器的设置大大拓宽了分布光度计对小光源的测量下限。
上述设计中被测光源仅仅绕自身中心旋转，而在测量中保持静止不动，光源能够在高度稳定的状态下燃点，不受振动和冲击以及外界空气对流的影响；旋转光学反射镜和第一光学探测器以及第二光学探测器通过刚性固定在转臂上一起绕被测光源旋转，原理上不存在同步误差，也可以实现更快的测量速度；使用两个探测器的方法，可以在无需另行调节的情形下方便地实现两种测量距离，大大增加了分布光度计的测量动态范围。
本发明可以通过以下的附加技术特征对上述技术方案作进一步限定：
上述的分布光度计中所述的第一光学探测器的位置和姿态是可调节的，这里所说的姿态是指角度之类。可以把第一光学探测器的位置和姿态调节到正对被测光源，第一光学探测器的光轴与转动中心线相交且垂直并通过转动中心线与自转轴交点。即通过调整第一光学探测器的位置和姿态就可以实现上述的第二光学探测器的位置状态。
上述的分布光度计的第一光学探测器和第二光学探测器的受光面前设置光阑用于阻挡杂散光。可以在探测器前侧设消杂光遮光筒，遮光筒内设置若干光阑。光阑的中心开有通光孔，所述通光孔略大于被测入射光束的孔径，所谓被测入射光束的孔径就是指被测光源最大尺寸边缘所发出的到第一光学接收器或第二光学接收器灵敏面最大尺寸边缘的边光所构成的孔径。特别值得注意的是，第一光学探测器的遮光筒应该尽量长，以减少杂散光。
上述的第一光学探测器、第二光学探测器可以是光度探头，色度探测器，或者是从紫外到可见光再到红外的整个光辐射波段范围内所需波段敏感的、能将相应波段光辐射能量转换成电信号的光电转换器件；但作为一种最广泛的应用方案，上述的分布光度计的第一光学探测器和第二光学探测器为光度探测器，当精度要求不高时，两者可以是同一光度探测器；当精度要求较高时，第一光学探测器和第二光学探测器虽两者均为光度探测器，但是，第二光学探测器的相对光谱灵敏度曲线S1(λ)必须与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线V(λ)相符合，即S1(λ)≈V(λ)；而第一光学探测器的相对光谱灵敏度曲线S2(λ)乘以旋转光学反射镜的光谱反射率曲线Rr(λ)再乘以垂直光学反射镜光谱反射率曲线Rp(λ)所得的积的曲线作归一化处理后，与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线相符合V(λ)，即S2(λ)×Rr(λ)×Rp(λ)/MAX(S2(λ)×Rr(λ)×Rp(λ)≈V(λ)。第一光学探测器作为光度探测器，其相对光谱灵敏度曲线作上述处理的目的是为了有效地减少旋转光学反射镜和垂直光学反射镜的光谱选择性反射所带来的影响。
在上述的分布光度计的固定轴上设置第一激光器，其发出的激光束轴线与转动中心线重合；在转臂上设置第二激光器，它发出的激光束轴线通过转动中心线与被测光源的自转轴的交点，作为特殊位置可以使其激光束与转动中心线垂直相交。通过这两个激光器可以很准确方便地调整分布光度计的光路，并且可以方便对准被测光源，使被测光源的光度中心位于分布光度计的旋转中心，即分布光度计转臂转动中心线与被测光源自转轴轴线的交点。上述的第二激光器所发出的激光束可以为正交十字形激光束，这种激光束可以使被测光源的定位更加方便。
在所述的固定轴设置锁定/松开机构和驱动固定轴旋转的机构，当锁定/松开机构处于松开状态时，由固定轴旋转驱动机构驱动固定轴并带动灯臂绕转动中心线旋转，当转过一定角度使得被测光源处于所要求的燃点状态后，锁定该锁定/松开机构，锁定后，固定轴又恢复固定状态；上述的锁定/松开机构也可以是设置在灯臂上的，这种情况下，固定轴始终固定，当锁定/松开机构处于松开状态时，旋转驱动机构驱动灯臂绕水平轴线转动，使得被测光源处于所要求的燃点状态后，锁定该锁定/松开机构。
上述的分布光度计中所述的转轴由电机通过涡轮蜗杆减速器或者齿轮减速器驱动；所述的自转轴由电机通过涡轮蜗杆减速器或者谐波减速器驱动。
上述的分布光度计中所述的固定轴导轨和滑块组与灯臂联接。具体地说，光源支承轴的一端设置固定导轨(如燕尾导轨)，在导轨上设置滑块，滑块可由丝杆驱动，滑块与灯臂连接。丝杆推动滑块和灯臂作相对于导轨和光源支承轴作上下运动，从而可以方便地将被测光源的光度中心调节到与分布光度计的旋转中心重合。
上述的分布光度计中，在所述的转动中心线上，在第一基座和第二基座之间设挡光器，挡光器可以使斗形吸光器或平面挡板，且表面为无光泽的黑色涂层。挡光器的大小恰好挡住来自被测光源直射到垂直光学反射镜的光线束。
上述的分布光度计中在所述的被测光源自转轴的输出端上设置自转轴测角器，所述的自转轴测角器可以是直接套在自转轴上的角度编码器，也可以在自转轴和角度编码器间用齿轮啮合实现角度测量。
上述分布光度计的固定轴的一端或整根轴为空心轴，被测光源的电源线、被测光源自转轴驱动电机控制线等位于灯臂上的导线则穿过空心的固定轴到达第一基座上。
上述的分布光度计的转轴上设置转轴测角器和导电滑环，导电滑环用于连接从转臂通向第一基座的导线，第一光学探测器和第二光学探测器的电源线及信号线可以通过此路径布线，以避免连续转动测量过程中的电线缠绕问题。所述的导电滑环可以设置在与转臂的连接处附近的转轴上，转臂上的导线通过此导电滑环连接到固定轴的空心轴内，通向到第一基座。在上述转轴上也可以设置轴向穿线孔，转臂上的导线从穿线孔中穿过，再通过导电滑环连接到第一基座。或者在轴形支承座上安装导电滑环，通过该导电滑环将转臂上的导线连接到第一基座。
上述的分布光度计，在所述的转臂上设置无线发射接收装置，可以用来控制第二激光器和第一光学接收器、第二光学接收器的工作状态，并且发射第一光学接收器和第二光学接收器的测量信号；此时在转臂上相应的第二激光器、第一光学接收器、第二光学接收器和无线发射接收装置等电子和电气设备由电池供电。该方法避免了大量使用电源线和信号线。进一步改进的方案是转臂上的设备电源仍由导线通过上述导电滑环供电，信号控制和接收则通过无线发射接收装置实现，可以大大减少过多的导线数目。
上述的分布光度计采用微电子线路、软件、控制器和电脑等现有技术实现对整个系统的全面自动控制、测量信息显示和记录。
根据以上所述，本发明的有益效果是：减少暗室占用空间小，保持光源高度稳定自然点燃，减少杂散光干扰，从而减小测量误差，提高测量精度，通过选用不同的光学探测器，无需另行对准和调节仪器即可实现不同的测量臂长(测量距离)的测量，大大增加了分布光度计的测量动态范围。
附图说明
附图1为中心转动反射镜式分布光度计示意图；
附图2为圆周运动反射镜式分布光度计示意图；
附图3为本发明的一种实施例的示意图；
附图4为附图3中I部分的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图的实施例对本发明作进一步具体说明：
如图3、图4所示的分布光度计设计方案原理图，包括第一基座1和第二基座2，两个基座相对放置，第一基座1上设有水平转动中心线3，在第一基座1上与转动中心线3同轴设有固定轴4，灯臂5一端与固定轴4相连，灯臂5的另一端设有被测光源6的旋转驱动装置8，使被测光源6绕自转轴7旋转，自转轴7与转动中心线3垂直相交，固定轴4通过外套轴承设有可绕转动中心线3转动的转轴9，转轴9再通过外套轴承与固定于第一基座1的轴形支承座23相连，转轴9一端刚性连接转臂10，旋转光学反射镜11和第一光学探测器13安装在转臂10的两端上，垂直光学反射镜12安装在第二基座2上，垂直光学反射镜12与转动中心线3垂直，并尽量使垂足为垂直光学反射镜12的中心，旋转光学反射镜11把来自被测光源6的光线束反射到垂直光学反射镜12上，经垂直光学反射镜12反射后的光线束正入射到第一光学探测器13；旋转光学反射镜11为椭圆形平面光学反射镜，所述的垂直光学反射镜12为圆形平面光学反射镜。
图例中，第一光学探测器13一侧的转臂10上设置有用于平衡转臂10力矩的配重块32。第一光学探测器13通过一个角度调节机构29与转臂10连接，且受光面前侧设有较长的消杂散光遮光筒19。在转臂10上，并在第一光学探测器13附近，刚性固定一根横梁30，横梁30上设置有一个连接第一光学探测器13的连接装置31，用于稳定第一光学探测器13及其前侧遮光筒19的位置。第二光学探测器14固定在横梁30的另一端，正对被测光源6，第二光学探测器14的光轴与转动中心线3相交且垂直，并通过转动中心线3与自转轴7的交点，且保证从被测光源6到第二光学探测器的14光线束不受第一光学探测器13的遮光筒19遮挡。第二光学探测器14的受光面前侧也设有消杂光遮光筒19。第一光学探测器13和第二光学探测器14前的遮光筒19内设有若干光阑20，光阑20的中心开有通光孔，所述通光孔略大于被测入射光束的孔径。第一光学探测器13和第二光学探测器14为光度探测器，并且第二光学探测器14的相对光谱灵敏度曲线与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线相符合；第一光学探测器13的相对光谱灵敏度曲线乘以旋转光学反射镜11的光谱反射率曲线再乘以垂直光学反射镜12的光谱反射率曲线所得的积的曲线作归一化处理后，与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线相符合。
两根涂黑的钢丝33一端与天花板固定相连，吊起一个斗形吸光腔26，斗形吸光腔26位于第一基座1和第二基座2之间的转动中心线3上，大小恰好挡住来自被测光源6直射到垂直光学反射镜12的光线束。
在第一基座1上，固定轴4是空心的。固定轴4的一端通过锁定/松开机构15，16与第一基座1联接，该锁定/松开机构15，16是由一个开口的圆孔15和锁紧螺钉16组成，用螺钉16实现锁定或松开，处于松开状态时可使灯臂5绕水平轴线转动，固定轴4套在蜗轮蜗杆28空心输出轴中，由涡轮蜗杆28驱动，并带动灯臂5旋转。固定轴4的一端设置燕尾导轨21，在导轨21上设置滑块22，滑块22由电机35带动丝杆驱动并与灯臂5一端固定连接。灯臂5上的被测光源6旋转驱动装置8为带谐波减速器的伺服电机，且自转轴7的输出端上设置自转轴测角器27。灯臂5上的被测光源6的电源线和旋转驱动装置8的信号线36都穿过空心的固定轴4通向第一基座1。
上述的固定轴4通过外套轴承设有转轴9，转轴9一端与伺服电机驱动的蜗轮蜗杆减速装置34的输出轴连接，且在连接处一端的转轴9上设置测角编码器24，另一端与转臂10连接。并在连接的一端设置导电滑环25，转臂10上的第一光学探测器13和第二光学探测器14的电源线和信号线37通过导电滑环25到达固定轴4的空心轴中通向第一基座1。
在固定轴4上设置第一激光器17，其发出的激光束轴线与转动中心线3重合。在转臂10上设置第二激光器18，第二激光器18的激光束轴线通过转动中心线3与被测光源6的自转轴7轴线的交点。第二激光器18所发出的激光束为正交十字形激光束。
利用第一激光器17和第二激光器18调整光路并实现被测光源6的对准。被测光源6的光度中心应该位于所述分布光度计的旋转中心，即第一激光器17和第二激光器18的激光束交点位置，通过导轨21和滑块组22来调节被测光源6的垂直位置，利用固定轴4上的锁定/松开机构15，16和涡轮蜗杆28来调节被测光源6的安装状态，使其处于所要求的燃点状态。
在两基座距离、旋转光学反射镜11、垂直光学反射镜12、第一光学探测器13以及第二光学探测器18的位置确定后，无需另行调节该分布光度计可以实现两种测量臂长(测量距离)。一是被测光源6的光束经过旋转光学反射镜11和垂直光学反射镜12后正入射第一光学探测器13所经过的光程；第二种测量距离为被测光源6的光线直接正入射第二光学探测器14所经过的光程，利用第二光学探测器14测量小尺寸发光弱的被测光源6时，须将旋转光学反射镜11和垂直光学反射镜12用消杂散光效果优良的黑布包裹或其它挡光物盖起来。在这两种测量距离下，都只需要通过转臂10转动，第一光学探测器13或第二光学探测器14就可以接收自被测光源6在不同角度方向上的光线束。转臂10绕被测光源6旋转±180°(或0～360°)，被测光源6绕自转轴7自身旋转±180°(或0～360°)，可量得被测光源6在各个空间方向上的光强分布，测量精确且快捷。调节两基座距离、并调节旋转光学反射镜11和第一光学接收器13的角度还可以实现其他距离下被测光源6在各个空间方向上的光强分布的测量。
本发明采用微电子线路、软件、控制器和电脑等现有技术实现对分布光度计的全面自动控制、测量信息显示和记录。

Claims (15)

1.一种分布光度计，其特征在于：包括第一基座(1)和第二基座(2)；第一基座(1)上设有转动中心线(3)，在第一基座(1)上与转动中心线(3)同轴设有固定轴(4)，灯臂(5)一端与固定轴(4)相连，灯臂(5)的另一端设有使被测光源(6)绕与转动中心线(3)垂直相交的自转轴(7)旋转的旋转驱动装置(8)，固定轴(4)通过外套轴承设有可绕转动中心线(3)转动的转轴(9)，转轴(9)一端刚性连接转臂(10)，旋转光学反射镜(11)和第一光学探测器(13)安装在转臂(10)的两端上，垂直光学反射镜(12)固定安装在第二基座(2)上，垂直光学反射镜(12)与转动中心线(3)垂直；并且旋转光学反射镜(11)，垂直光学反射镜(12)和第一光学探测器(13)处于如下位置关系：来自被测光源(6)处于转动中心线(3)和自转轴(7)交点并入射到旋转光学反射镜(11)的光学中心的光线，被旋转光学反射镜(11)反射后正好入射到垂直光学反射镜(12)的光学中心上，该光线再经垂直光学反射镜(12)反射后正入射到第一光学探测器(13)的受光面中心位置上；所述的旋转光学反射镜(11)为圆形或椭圆形或八边形平面光学反射镜；所述的垂直光学反射镜(12)为圆形或椭圆形或八边形平面光学反射镜。
2.根据权利要求1所述的分布光度计，其特征在于：在转臂(10)上并在第一光学探测器(13)附近设置第二光学探测器(14)，第二光学探测器(14)正对被测光源(6)，第二光学探测器(14)的光轴与转动中心线(3)相交且垂直，并通过转动中心线(3)与自转轴(7)的交点。
3.根据权利要求1所述的分布光度计，其特征在于：所述的第一光学探测器(13)的位置和姿态是可调节的，并且所述的第一光学探测器(13)的位置和姿态可以调节到正对被测光源(6)，第一光学探测器(13)的光轴与转动中心线(3)相交且垂直并通过转动中心线(3)与自转轴(7)的交点。
4.根据权利要求2所述的分布光度计，其特征在于：所述的第一光学探测器(13)和第二光学探测器(14)为光度探测器；并且第二光学探测器(14)的相对光谱灵敏度曲线与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线相符合；第一光学探测器(13)的相对光谱灵敏度曲线乘以旋转光学反射镜(11)的光谱反射率曲线再乘以垂直光学反射镜(12)的光谱反射率曲线所得的积的曲线作归一化处理后，与国际照明委员会规定的人眼视觉函数曲线相符合。
5.根据权利要求2所述的分布光度计，其特征在于：第一光学探测器(13)和第二光学探测器(14)的受光面前设有消杂光光阑(20)。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在固定轴(4)上设置第一激光器(17)，其发出的激光束轴线与转动中心线(3)重合。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在转臂(10)上设置第二激光器(18)，它发出的激光束轴线通过转动中心线(3)与被测光源(6)的自转轴(7)的交点。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：第二激光器(18)所发出的激光束为正交十字形激光束。
9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：所述的固定轴(4)通过使灯臂(5)作上下调节的导轨(21)和滑块组(22)与灯臂(5)联接；在所述的固定轴(4)或灯臂(5)上设有锁定/松开机构(15，16)，当锁定/松开机构(15，16)处于松开状态时，灯臂(5)可绕水平轴线转动；
10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：所述的转轴(9)由电机通过涡轮蜗杆减速器或者齿轮减速器的输出轴直接驱动；所述的被测光源(6)的旋转驱动装置(8)是由电机或由电机通过涡轮蜗杆减速器或者谐波减速器的输出轴直接驱动。
11.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在所述的转轴(9)上设置用于测量转轴(9)转动角度的转轴测角器(24)；在所述的转轴(9)上或外套在转轴(9)上的轴形支承座(23)上设置用于测量转轴(9)转动角度的导电滑环(25)。
12.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在所述的自转轴(7)的输出端上设置用于测量自转轴(7)转动角度的自转轴测角器(27)。
13.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：所述的固定轴(4)的一端或整根轴为空心轴，在空心轴中穿有导线。
14.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在所述的转动中心线(3)上在第一基座(1)和第二基座(2)之间设置用于挡住来自被测光源(6)到垂直光学反射镜(12)的直射光线束的挡光器(26)。
15.根据权利要求1或2或3或4或5所述的分布光度计，其特征在于：在所述的转臂(10)上设置用于接收控制信号和发射测量数据的无线发射接收装置。
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