CN102565008A - 一种利用积分球测量材料透射比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用积分球测量材料透射比的方法，该方法通过在积分球上设置补偿口，使在测取空测值和实测值时的积分球内的漫反射条件一致，并最终通过计算得到精确的材料透射比。本发明还同时公开了实施该方法的装置。本发明通过在积分球上设置补偿开口，使积分球在两次测量时其内部漫反射条件的一致，因而提高了材料透射比的测量精度。

Description

一种利用积分球测量材料透射比的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用积分球测量材料透射比的方法，以及实施该方法的装置。

背景技术

目前，在光学领域中人们测量材料透射比时普遍使用积分球来收集光束，被收集的光束可用作漫射光源或被测源。无论是作为漫射光源还是作为被测源，积分球的结构基本相同：一个完整的中空球壳，内壁上涂白色漫反射层，其特点是球内壁各点漫射均匀。在《GB/T3978-2008标准照明体和几何条件》中公开了两种分别将积分球用作漫射光源和被测源来测量材料光通量的方法，一种是漫射/垂直(d/0)方法，一种是垂直/漫射(0/d)方法。漫射/垂直(d/0)方法如图1所示，积分球1侧壁上开设一个工作开口11，待测样品3设置在工作开口11上，积分球1侧壁上还设置有入射光源，入射光源的光束在积分球1内漫射，漫射至工作开口11的光束透过待测样品3被探测器2作为实测值采集，探测器2将撤去待测样品3后采集的光通量作为空测值，实测值与空测值之比，即为待测样品的透射比，其中的实测值为光束在透过待测样品后由探测器测得的光通量，空测值为光束通过未经待测样品遮挡的工作开口后由探测器测得的光通量。垂直/漫射(0/d)方法如图2所示，积分球1侧壁上开设一个工作开口11，待测样品3设置在工作开口11上，光源发出的光束垂直入射有待测样品3遮挡的工作开口11，通过工作开口11的光束在积分球1内漫射，积分球1侧壁上设置有用于采集积分球1侧壁上一定范围内光通量的探测器2，探测器2在有待测样品3遮挡工作开口11时采集的光通量作为实测值，撤去待测样品3遮挡后，探测器2采集的光通量为空测值，实测值与空测值之比，即为待测样品的透射比。

上述两种测量方法中，存在一个相同的问题，即在测量实测值与空测值时，随着工作开口上待测样品的设置和撤除，积分球内的漫反射条件发生了改变：测量空测值时，工作开口上无待测样品，此时开孔区域不参与积分球内的漫反射，而在测量实测值时，工作开口上设置了待测样品，开孔区域就以待测样品的反射率参与积分球内的漫反射，由此改变了两次测量时积分球内光的强度，影响了积分球的积分效率，也由此给材料透射比的测量带来误差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用积分球测量材料透射比的方法及装置，本发明通过使积分球在两次测量时的内部漫反射条件一致，克服了现有测量方法存在的缺陷，提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明利用积分球测量材料透射比的方法为：通过在积分球上设置补偿开口，使在测取空测值和实测值时的积分球内的漫反射条件一致，并最终通过计算得到精确的材料透射比。

进一步，所述方法具体步骤如下：

1)通过在积分球上设置两个开口率相同，位置尽可能靠近，并且均不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对的工作开口；

2)在其中一个开口上放置有待测样品的状态下，测取实测值与空测值；

3)通过公式：透射比＝实测值/空测值，计算得到待测样品的透射比。

进一步，所述方法为漫射/垂直(d/0)测量方法。

进一步，所述方法为垂直/漫射(0/d)测量方法。

一种利用积分球测量材料透射比的装置，该装置包括探测器、光源、积分球，探测器或光源设置在积分球侧壁上，积分球上设置有两个开口率相同，位置尽可能靠近，并且均不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对的工作开口；该装置在其中一个开口上放置有待测样品的状态下，测取实测值与空测值。

进一步，所述装置为漫射/垂直(d/0)测量装置。

进一步，所述装置为垂直/漫射(0/d)测量装置。

一种利用积分球测量材料透射比的装置，该装置包括探测器、光源、积分球，探测器或光源设置在积分球侧壁上，积分球上设置有一个工作开口和若干个补偿开口，补偿开口的总开口率与工作开口的开口率相同，补偿开口的位置尽可能靠近工作开口并且不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对；该装置在补偿开口上放置有待测样品或与待测样品相同材料的状态下，由工作开口测取空测值，并在撤除补偿开口上的待测样品或与待测样品相同材料后，由工作开口测取实测值。

本发明通过在积分球上设置补偿开口，使积分球在两次测量时其内部漫反射条件的一致，因而提高了材料透射比的测量精度。

附图说明

图1为漫射/垂直(0/d)测量方法光路示意图；

图2为垂直/漫射(d/0)测量方法光路示意图；

图3为本发明实施例一中测量实测值时的光路示意图；

图4为本发明实施例一中测量空测值时的光路示意图；

图5为本发明实施例二中测量实测值时的光路示意图；

图6为本发明实施例二中测量空测值时的光路示意图；

图7为本发明实施例三中测量实测值时的光路示意图；

图8为本发明实施例三中测量空测值时的光路示意图；

图9为本发明实施例四中测量实测值时的光路示意图；

图10为本发明实施例四中测量空测值时的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例一

图3、图4所示的本发明测量方法是在现有漫射/垂直(d/0)测量方法基础上改进而来的，如图中所示，该方法具体为：在积分球1上设置两个开口率相同的工作开口11，并且这两个工作开口11不能与积分球1侧壁上设置的探测器2直对，避免探测器2受到透过工作开口11的光线直射影响测量精度，同时这两个工作开口11的位置尽量靠近，以减少误差、提高测量精度；在其中一个开口11上放置有待测样品3，由于开口率相同，待测样品3设置在两个开口11其中任一个上均可。测量实测值时，参见图3，使光源发出的光束垂直入射待测样品3，透过待测样品3的光束从其下方的工作开口11进入积分球1，利用探测器2测取积分球1上一个固定的探测面积内的光通量，即为实测值，此时的补偿开口为未设置待测样品3的工作开口11。测量空测值时，参见图4，将待测样品3移至另一个工作开口11，当然，也可以固定待测样品3而移动光源至另一个工作开口11，只要使光源发出的光束从无待测样品3遮挡的工作开口11垂直入射进积分球1即可，此时探测器2测得积分球1上与实测值相同探测面积内的光通量，即为空测值，此时的补偿开口为另一个设置有待测样品3的工作开口11。

最后，通过公式：透射比＝实测值/空测值，计算得到待测样品3的透射比。

下面通过理论论证来说明本发明方法的技术效果。

为了更有利于理解，在下面的理论论证中引用符号代替数字标注。

工作开口m，开口率f_m，反射率ρ_m；

工作开口c，开口率f_c，反射率ρ_c；

探测器e，开口率f_e，反射率ρ_e，探测面积S_e；

球内其它反射率ρ，待测样品的实际透射率τ；

a)待测样品放置在工作开口m上，测量实测值时，如图3所示，

平均反射率 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}^{\′}=\mathrm{\ρ}(1-f_m-f_c-f_e)+{\mathrm{\ρ}}_m{f}_m+{\mathrm{\ρ}}_e{f}_e;$

探测器测得的光通量 ${{\mathrm{\φ}}_e}^{\′}=\frac{\mathrm{\τ\φ}}{4\mathrm{\π}{R}^2}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}^{\′}}\×S_e.$

b)待测样品方式在工作开口c上，测量空测值时，如图4所示，

平均反射率 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}=\mathrm{\ρ}(1-f_e-f_m-f_c)+{\mathrm{\ρ}}_c{f}_c+{\mathrm{\ρ}}_e{f}_e;$

探测器测得的光通量 ${\mathrm{\φ}}_e=\frac{\mathrm{\φ}}{{4\mathrm{\πR}}^2}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}\×S_e.$

c)计算测得的透射率τ′，

上式中ρ_c＝ρ_m，f_c＝f_m；

所以τ′＝τ。

本发明实施上述测量方法的装置包括探测器2、光源、积分球1，探测器2设置在积分球1侧壁上；积分球1上设置两个开口率相同，并且不与积分球1侧壁上设置的探测器2直对的工作开口11，并且这两个工作开口11的位置尽可能靠近，将待测样品3设置在其中一个所述工作开口11上，光源设置在积分球1外，通过改变光源的入射位置，即光源发出的光束垂直入有射待测样品3遮挡或另一个无待测样品遮挡的工作开口11，使探测器2测得实测值与空测值，再经计算得出材料的透射比。

实施例二

图5、图6所示为本发明测量方法的另一种实施方式，与实施例一相比，该实施方式同样是利用在积分球1上开设两个开口率相同的工作开口11来保证两次测量时积分球1的条件相同，只是本实施例采用垂直/漫射(d/0)测量方式对待测样品透射比进行测量。具体为：在积分球1上设置两个开口率相同的工作开口11，并且这两个工作开口11不能与积分球1侧壁上设置的光源直对，这两个工作开口11的位置尽量靠近；在其中一个开口11上放置有待测样品3，由于开口率相同，使待测样品3可以设置在两个开口11其中任一个上均可。测量实测值时，参见图5，将光源发出的光束垂直入射积分球1，探测器2测量透过待测样品3射出工作开口11的光通量，即为实测值，此时的补偿开口为未设置待测样品3的工作开口11。测量空测值时，参见图6，按上述测量实测值的方法设置光源，在测量实测值的基础上，将待测样品3固定并移动探测器2至另一个工作开口11外侧，或将探测器2固定并移动待测样品3至另一个工作开口11上，只要使探测器2测量透过无待测样品3遮挡的工作开口11所射出的光通量即可，此时探测器2测得的光通量即为空测值，此时的补偿开口为另一个设置有待测样品3的工作开口11。

最后，通过计算得到待测样品透射比。

实施该测量方法的装置包括探测器2、光源、积分球1，光源设置在积分球1侧壁上；积分球1上设置两个开口率相同，并且不与积分球1侧壁上设置的光源直对的工作开口11，这两个工作开口11的位置尽量靠近。将待测样品3设置在其中一个所述工作开口11上，探测器2通过设置在有待测样品3遮挡或另一个无待测样品遮挡的工作开口11外侧，分别测量射出这两种工作开口11的光通量，即实测值与空测值，再经计算得出材料的透射比。

实施例三

图7、图8所示为本发明装置的第三种实施方式，该装置包括探测器2、光源、积分球1，光源设置在积分球1侧壁上，积分球1上设置有一个工作开口11和多个补偿开口11’，补偿开口11’的总开口率与工作开口11的开口率相同，补偿开口11’的位置尽可能靠近工作开口11并且不与积分球1侧壁上设置的光源直对；该装置在补偿开口11’上放置有待测样品3相同材料的状态下，由工作开口11测取空测值，并在撤除补偿开口11’上的与待测样品3相同材料后，由工作开口11测取实测值，这里测取实测值和空测值是利用垂直/漫射(d/0)测量方法实施的。

实施例四

图9、图10所示为本发明装置的第四种实施方式，该装置包括探测器2、光源、积分球1，探测器2设置在积分球1侧壁上，积分球1上设置有一个工作开口11和多个补偿开口11’，补偿开口11’的总开口率与工作开口11的开口率相同，补偿开口11’的位置尽可能靠近工作开口11并且不与积分球1侧壁上设置的探测器2直对；该装置在补偿开口11’上放置与待测样品3相同材料的状态下，由工作开口11测取空测值，并在撤除补偿开口上的与待测样品3相同材料后，由工作开口11测取实测值，这里测取实测值和空测值是利用漫射/垂直(d/0)测量方法实施的。

本发明不局限于上述实施方式，上面所述只是为了说明发明，只要是符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用积分球测量材料透射比的方法，其特征在于，该方法通过在积分球上设置补偿开口，使在测取空测值和实测值时的积分球内的漫反射条件一致，并最终通过计算得到精确的材料透射比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

1）通过在积分球上设置两个开口率相同，位置尽可能靠近，并且均不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对的工作开口；

2）在其中一个开口上放置有待测样品的状态下，测取实测值与空测值；

3）通过公式：透射比=实测值/空测值，计算得到待测样品的透射比。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法为漫射/垂直（d/0）测量方法。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法为垂直/漫射（0/d）测量方法。

5.一种利用积分球测量材料透射比的装置，其特征在于，该装置包括探测器、光源、积分球，探测器或光源设置在积分球侧壁上，积分球上设置有两个开口率相同，位置尽可能靠近，并且均不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对的工作开口；该装置在其中一个开口上放置有待测样品的状态下，测取实测值与空测值。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置为漫射/垂直（d/0）测量装置。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置为垂直/漫射（0/d）测量装置。

8.一种利用积分球测量材料透射比的装置，其特征在于，该装置包括探测器、光源、积分球，探测器或光源设置在积分球侧壁上，积分球上设置有一个工作开口和若干个补偿开口，补偿开口的总开口率与工作开口的开口率相同，补偿开口的位置尽可能靠近工作开口并且不与积分球侧壁上设置的探测器或光源直对；该装置在补偿开口上放置有待测样品或与待测样品相同材料的状态下，由工作开口测取空测值，并在撤除补偿开口上的待测样品或与待测样品相同材料后，由工作开口测取实测值。

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