CN102519915A - 一种光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置及测量方法，包括积分球、物镜组和第一分光光度计，其中，积分球内设置有光源，积分球上开设有出光口和光陷口，出光口外部按照光线的射出方向依次设置有物镜组和第一分光光度计；光陷口上按照测量的设计要求设置有白板，或者光陷口为开放状态；积分球上设置有实时接收积分球内表面辐亮度的参比光路。本发明中，在分光光度法的基础上，增加了一路参比光路，这样能够获得待测样品的雾度精确测量值，这对雾度要求比较高的TCO玻璃来说，是一种非常好的测量方法。

Description

一种光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置及测量方法。

背景技术

雾度：是衡量透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊程度的定量描述。以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。通常把透过样品而偏离入射光方向2.5°以上的散射光通量与透射光通量之比作为雾度。如式1表示：

光谱雾度H(λ)：对材料雾度进行测量和分析时，各波长的雾度值H(λ)是不同的，把以波长为函数的雾度称为光谱雾度。

一般来说，通用镀膜玻璃要求膜层表面越光滑越好，雾度越小越好，但光伏用TCO玻璃则要求具有一定的光散射能力。对于TCO镀膜玻璃，测量不同波长下的雾度会间接得知膜层的微观结构状态，从而为提高薄膜电池的光电转换效率提供有利条件。如果单纯的用可见光雾度H_V来表征TCO镀膜玻璃的雾度，明显存在不足。

目前ISO(International Standardization Organization)、国家标准化管理委员会已对汽车玻璃、透明塑料等材料的雾度测量方法或设备做出了相应的规定。例如，在“GB-T-5137汽车安全玻璃试验-第1部分：力学性能试验”中为了测量汽车玻璃的抗磨性，对汽车安全玻璃雾度测量装置做了规定。在“ISO-14782：塑料-透明材料的雾度测定方法”、“GB/T 2410-2008透明塑料透光率和雾度的测定”中都对透明塑料的雾度测量方法作了规定。下面以GB/T2410-2008中的方法为例，说明一下现有测量透明材料雾度的方法。

在GB/T2410中介绍了两种方法，一种是雾度计法，即平行光照射样品，积分球漫射接收。另一种是分光光度计法，即积分球漫射照明(朗伯体照明)样品，分光光度计接收。

现通过雾度计法来讲述一下雾度的测试方法及雾度公式的推导过程。

雾度计法

由光源发出的光经过平行光管后形成准平行光，照射至玻璃样品上，然后用积分球收集透过的光通量。放置在积分球上的光检测器检测积分球收集的光通量。

雾度测试步骤

依据雾度的定义，雾度的测试分为四个步骤，如下表1所示，测试步骤示意图如图1、图2、图3、图4所示，图中标号为：积分球1、入光口2、光探测器3、白板4、补偿开口5、陷光结构6、入射光线7、待测件8。图1中测量T₁，图2中测量T₂，图3中测量T₃，图4中测量T₄。

表1测试步骤

雾度推导过程：

1.透光率T_t

对于每个试样，以百分数表示透光率按式2计算：

$T_t=\frac{T_2}{T_1}\×100---\left(2\right)$

式中：

T_t——透光率；

T₂——通过试样的总透射光通量；

T₁——入射光通量；

2.散射透光率T_d

当仪器散射光通量T₃为零时，以百分数表示的散射透光率按式3计算；

$T_d=\frac{T_4}{T_1}\×100---\left(3\right)$

式中：

T_d——散射透光率；

T₄——仪器和试样的散射光通量；

T₁——入射光通量；

当仪器散射光通量T₃大于零时，总散射光通量T₄就大于仪器的试样的散射光通量，这部分仪器散射光与T₃成比例，等于T₃倍的T₂/T₁。因此修正过的试样散射光通量T₄′应按式4计算：

${T_4}^{\′}=T_4-T_3\frac{T_2}{T_1}---\left(4\right)$

式中：

T₄——仪器和试样的散射光通量；

T₃——仪器的散射光通量；

T₂——通过试样的总透射光通量；

T₁——入射光通量；

以百分数表示的散射透光率按式5计算：

$T_d=\frac{{T_4}^{\′}}{T_1}\×100---\left(5\right)$

式中

T_d——散射透光率；

T₄′——修正过的试样散射光通量；

T₁——入射光通量；

3.雾度

以百分数表示的雾度按式6计算：

$H=\frac{T_d}{T_t}\×100---\left(6\right)$

式中：

H——雾度；

T_d——散射透光率；

T_t——透光率。

将式2和式5代入式6，得到式7：

$H=(\frac{T_4}{T_2}-\frac{T_3}{T_1})\×100---\left(7\right)$

式中：

H——雾度；

T₄——仪器和试样的散射光通量；

T₂——通过试样的总透射光通量；

T₃——仪器的散射光通量；

T₁——入射光通量。

分光光度法

光源发出的光通过积分球内部的多次反射，形成一标准朗伯体光源，用积分球去照射散射样品。通过散射样品的光通过一组物镜进行汇聚，汇聚后的光线通过光纤传给分光光度计。

测量步骤同雾度计法，测量示意图如图5、图6、图7、图8所示，图中标号为：积分球1、出光口15、白板4、补偿开口5、陷光结构6、待测件8，光源9、物镜组10、分光光度计11。图5中测量T₁，图6中测量T₂，图7中测量T₃，图8中测量T₄。将图5至图8测得的量代入公式7即可得到雾度值。

现有技术不足：

在上述测量方法中，把积分球作为了一个理想的照明光源，即在测量过程中，假设积分球内部的辐亮度不会因为测量件的放入或其它因素而发生变化。事实上，在示意图所示的四个测量步骤中，积分球内表面积随着待测件的放入和拿出而发生了变化，待测件也对积分球内部产生了二次照明，因此造成积分球内部的辐亮度是不同的。例如步骤2与步骤1相比，步骤2比步骤1多了一个测量件，光线在通过测量件的同时，也会被测量件反射回球内，对积分球产生了二次照明。这样就会使得积分球内部的辐亮度变大，积分球内表面积也随着加大，必然会使最终的测量值与理论值产生偏差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种有效地消除了测量误差，提高了测量精度的光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置，本发明的另一目的是提供一种利用上述测量装置进行测量的方法。

为实现上述目的，本发明一种测量光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置，包括积分球、物镜组和第一分光光度计，其中，积分球内设置有光源，积分球上开设有出光口和光陷口，出光口外部按照光线的射出方向依次设置有物镜组和第一分光光度计；光陷口上按照测量的设计要求设置有白板，或者光陷口为开放状态；积分球上设置有实时接收积分球内表面辐亮度的参比光路。

进一步，所述参比光路上接有第二分光光度计，所述参比光路实时接收所述积分球内表面的辐亮度，然后传给第二分光光度计，以分析所述积分球内表面辐亮度的变化。

一种利用上述测量装置进行的光伏玻璃光谱雾度的分光测量方法，具体为：

1)将白板遮蔽光陷口，积分球内的光源形成的出射光直接从出光口射出，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₁，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₁；

2)在步骤1)的基础上，在出光口的外部设置待测物，出射光从出光口射出并穿过待测物，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₂，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₂；

3)在步骤1)的基础上，将白板撤离光陷口，使光陷口为开放状态，出射光直接从出光口射出，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₃，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₃；

4)在步骤2)的基础上，将白板撤离光陷口，使光陷口为开放状态，出射光从出光口射出并穿过待测物，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₄，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₄；

5)经过计算得出雾度 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100.$

进一步，所述步骤5)中的计算步骤为：

A：设定上述4个步骤中积分球内表面辐亮度分别为L₁、L₂、L₃、L₄，4个步骤的修正系数分别为S₁、S₂、S₃、S₄，光辐射亮度与修正系数之间的关系为：

4个步骤的测量值T₁、T₂、T₃、T₄与积分

球内部的辐亮度L₁、L₂、L₃、L₄成正比：

B：设定修正后的通过待测物的总透射光通量为T₂′，设定所述步骤1)中积分球内部辐亮度相同的值L₂′＝L₁，得到

进而得到 ${T_2}^{\′}$ $=T_2\×\frac{S_1}{S_2};$

C：透光率 $T_t=\frac{T_2^{\′}}{T_1},$

D：散射透光率 $T_d=\frac{{T_4}^{\′}}{{T_1}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{{T_1}^{\′}}\×\frac{{T_2}^{\′}}{{T_1}^{\′}},$ 得到 $T_d=\frac{T_4}{T_1}\×\frac{S_1}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3}\×\frac{T_2}{T_1}\×\frac{S_1}{S_2};$

E：雾度 $H=\frac{T_d}{T_t}\×100,$ 得到 $H=(\frac{{T_4}^{\′}}{{T_2}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{T_1})\×100,$ 进而得 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100.$

本发明中，在分光光度法的基础上，增加了一路参比光路，这样能够获得待测样品的雾度精确测量值，这对雾度要求比较高的TCO玻璃来说，是一种非常好的测量方法。

附图说明

图1为雾度测试步骤1示意图；

图2为雾度测试步骤2示意图；

图3为雾度测试步骤3示意图；

图4为雾度测试步骤4示意图；

图5为分光光度法步骤1示意图；

图6为分光光度法步骤2示意图；

图7为分光光度法步骤3示意图；

图8为分光光度法步骤4示意图；

图9为本专利步骤1示意图；

图10为本专利步骤2示意图；

图11为本专利步骤3示意图；

图12为本专利步骤4示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图9至图12所示，本专利针对现有分光光度法的缺陷，在分光光度法的基础上增加了一参比光路，并且去掉了补偿口。

本发明一种测量光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置，包括积分球1、物镜组10和第一分光光度计11，其中，积分球1内设置有光源9，积分球1上开设有出光口15和光陷口14，出光口2外部按照光线的射出方向依次设置有物镜组10和第一分光光度计11；光陷口14上按照测量的设计要求设置有白板4，或者光陷口14为开放状态；积分球1上设置有实时接收积分球1内表面辐亮度的参比光路12。参比光路12上接有第二分光光度计13，参比光路12实时接收积分球1内表面的辐亮度，然后传给第二分光光度计13，以分析积分球1内表面辐亮度的变化。

一种利用上述测量装置进行的光伏玻璃光谱雾度的分光测量方法，具体为：

1)将白板4遮蔽光陷口14，积分球1内的光源9形成的出射光直接从出光口15射出，出射光由物镜组10收集汇聚，并传输给第一分光光度计11，第一分光光度计11测得光通量为T₁，同时，积分球1上设置的参比光路12通过第二分光光度计13测量计算得到修正系数S₁；

2)在步骤1的基础上，在出光口15的外部设置待测物8，出射光从出光口15射出并穿过待测物8，出射光由物镜组10收集汇聚，并传输给第一分光光度计11，第一分光光度计11测得光通量为T₂，同时，积分球1上设置的参比光路12通过第二分光光度计13测量计算得到修正系数S₂；

3)在步骤1的基础上，将白板4撤离光陷口14，使光陷口14为开放状态，出射光直接从出光口15射出，出射光由物镜组10收集汇聚，并传输给第一分光光度计11，第一分光光度计11测得光通量为T₃，同时，积分球1上设置的参比光路12通过第二分光光度计13测量计算得到修正系数S₃；

4)在步骤2的基础上，将白板4撤离光陷口14，使光陷口14为开放状态，出射光从出光口15射出并穿过待测物8，出射光由物镜组10收集汇聚，并传输给第一分光光度计11，第一分光光度计11测得光通量为T₄，同时，积分球1上设置的参比光路12通过第二分光光度计13测量计算得到修正系数S₄；

5)经过计算得出雾度 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100.$

由光源发出的光通过积分球内部多次反射形成一标准朗伯体，由积分球发出的光线通过待测件后由物镜组收集汇聚，最后通过光纤传给分光光度计。

参比光路可实时接收积分球内表面的辐亮度，然后传给分光光度计，分析积分球内表面辐亮度的变化。在步骤1中，假设参比光路分光光度计测得积分球内表面光辐射亮度为L₁，在步骤2中，测得积分球内表面辐亮度值为L₂，用L₂/L₁便得到积分球内表面变化的一个比值，我们把这个比值称之为修正系数。我们分别赋予四个步骤分别一个修正系数即S₁、S₂、S₃、S₄，他们分别与L₁、L₂、L₃、L₄成正比。即：

$\frac{S_2}{S_1}=\frac{L_2}{L_1},$ $\frac{S_3}{S_1}=\frac{L_3}{L_1},$ $\frac{S_4}{S_1}=\frac{L_4}{L_1}---\left(8\right)$

在四个测量步骤中，测量值T₁、T₂、T₃、T₄与积分球内部的辐亮度L₁、L₂、L₃、L₄成正比。即：

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{L_2}{L_1},$ $\frac{T_3}{T_1}=\frac{L_3}{L_1},$ $\frac{T_4}{T_1}=\frac{L_4}{L_1}---\left(9\right)$

以式3中透光率T_t为例来说明修正系数的导入过程：在式3中，

此式中是认为步骤2的积分球内部的辐亮度L₂相对于步骤1中的值L₁是不变化的，即L₁＝L₂，但是实际上因为待测样品的放入，积分球内部的辐亮度会增大，即L₁≠L₂，为了得到跟步骤1中积分球内部辐亮度相同的值(设定为L₂’)，即：

L₂′＝L₁(10)

需要对T₂进行修正，设修正后的值为T₂′，由式8、式9、式10有：

$\frac{{T_2}^{\′}}{T_2}=\frac{{L_2}^{\′}}{L_2}=\frac{L_1}{L_2}=\frac{S_1}{S_2}---\left(11\right)$

从而得到修正值 ${T_2}^{\′}=T_2\×\frac{S_1}{S_2}---\left(12\right)$

依次类推，在雾度计算公式中加入这些修正参数，即可得到雾度的准确值。

理论推导如下：

1.透光率T_t

$T_t=\frac{{T_2}^{\′}}{T_1}---\left(13\right)$

${T_2}^{\′}=T_2\×\frac{S_1}{S_2}---\left(14\right)$

式中：

T_t——透光率；

T₁——实测入射光通量；

T₂——实测通过试样的总透射光通量；

T₂′——修正后的通过待测物8的总透射光通量；

2.散射透光率T_d

由： $T_d=\frac{{T_4}^{\′}}{{T_1}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{{T_1}^{\′}}\×\frac{{T_2}^{\′}}{{T_1}^{\′}}---\left(15\right)$

得： $T_d=\frac{T_4}{T_1}\×\frac{S_1}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3}\×\frac{T_2}{T_1}\×\frac{S_1}{S_2}---\left(16\right)$

式中：

T_d——散射透光率

T₁——实测入射光通量；

T₂——实测通过试样的总透射光通量；

T₃——实测仪器散射光通量；

T₄——实测仪器和试样的散射光通量；

T₁′——修正后的入射光通量；

T₂′——修正后的通过试样的总透射光通量；

T₃′——修正后的仪器散射光通量；

T₄′——修正后的仪器和试样的散射光通量；

2.雾度H：

$H=\frac{T_d}{T_t}\×100---\left(6\right)$

将公式式13、式14、式15、式16代入式6得式17

$H=(\frac{{T_4}^{\′}}{{T_2}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{T_1})\×100---\left(17\right)$

进而得 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100---\left(18\right)$

式中：

H——雾度

T₁——实测入射光通量；

T₂——实测通过试样的总透射光通量；

T₃——实测仪器散射光通量；

T₄——实测仪器和试样的散射光通量；

T₁′——修正后的入射光通量；

T₂′——修正后的通过试样的总透射光通量；

T₃′——修正后的仪器散射光通量；

T₄′——修正后的仪器和试样的散射光通量；

本发明的创新点：

1、在本发明中，在分光光度法的基础上，去掉了积分球的一个补偿开口，减少了白板在积分球两个口之间的来回切换，使得结构简单，也减少了由于来回切换造成的误差。

2、在本发明中，在分光光度法的基础上，增加了一路参比光路，这样能够获得待测样品的雾度精确测量值，这对雾度要求比较高的TCO玻璃来说，是一种非常好的测量方法。

有益效果

1.积分球作为光扩散器，可以提高光路光源利用率及均匀性，提高接收器的信噪比，因而可以提高测量准确度。

2.光栅分光、阵列式接收的测量方式可以对雾度进行快速分光光谱测量。

3.参考光路可以弥补因为积分球开口过多对测量结果产生的误差，并可消除玻璃对积分球朗伯体光源二次照明的影响。

Claims (4)

1.一种测量光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置，其特征在于，该装置包括积分球、物镜组和第一分光光度计，其中，积分球内设置有光源，积分球上开设有出光口和光陷口，出光口外部按照光线的射出方向依次设置有物镜组和第一分光光度计；光陷口上按照测量的设计要求设置有白板，或者光陷口为开放状态；积分球上设置有实时接收积分球内表面辐亮度的参比光路。

2.如权利要求1所述的测量光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置，其特征在于，所述参比光路上接有第二分光光度计，所述参比光路实时接收所述积分球内表面的辐亮度，然后传给第二分光光度计，以分析所述积分球内表面辐亮度的变化。

3.一种光伏玻璃光谱雾度的分光测量方法，其特征在于，该方法具体为：

1)将白板遮蔽光陷口，积分球内的光源形成的出射光直接从出光口射出，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₁，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₁；

2)在步骤1)的基础上，在出光口的外部设置待测物，出射光从出光口射出并穿过待测物，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₂，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₂；

3)在步骤1)的基础上，将白板撤离光陷口，使光陷口为开放状态，出射光直接从出光口射出，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₃，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₃；

4)在步骤2)的基础上，将白板撤离光陷口，使光陷口为开放状态，出射光从出光口射出并穿过待测物，出射光由物镜组收集汇聚，并传输给第一分光光度计，第一分光光度计测得光通量为T₄，同时，积分球上设置的参比光路通过第二分光光度计测量计算得到修正系数S₄；

5)经过计算得出雾度 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100.$

4.如权利要求1所述的光伏玻璃光谱雾度的分光测量方法，其特征在于，所述步骤5)中的计算步骤为：

A：设定上述4个步骤中积分球内表面辐亮度分别为L₁、L₂、L₃、L₄，4个步骤的修正系数分别为S₁、S₂、S₃、S₄，光辐射亮度与修正系数之间的关系为：

4个步骤的测量值T₁、T₂、T₃、T₄与积分

球内部的辐亮度L₁、L₂、L₃、L₄成正比：

B：设定修正后的通过待测物的总透射光通量为T₂′，设定所述步骤1)中积分球内部辐亮度相同的值L₂′＝L₁，得到

进而得到 ${T_2}^{\′}$ $=T_2\×\frac{S_1}{S_2};$

C：透光率 $T_t=\frac{{T_2}^{\′}}{T_1},$

D：散射透光率 $T_d=\frac{{T_4}^{\′}}{{T_1}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{{T_1}^{\′}}\×\frac{{T_2}^{\′}}{{T_1}^{\′}},$ 得到 $T_d=\frac{T_4}{T_1}\×\frac{S_1}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3}\×\frac{T_2}{T_1}\×\frac{S_1}{S_2};$

E：雾度 $H=\frac{T_d}{T_t}\×100,$ 得到 $H=(\frac{{T_4}^{\′}}{{T_2}^{\′}}-\frac{{T_3}^{\′}}{T_1})\×100,$ 进而得 $H=(\frac{T_4}{T_2}\×\frac{S_2}{S_4}-\frac{T_3}{T_1}\×\frac{S_1}{S_3})\×100.$

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