CN103857993A - 太阳光模拟器和在太阳光模拟器中使用的紫外滤波器系统 - Google Patents

太阳光模拟器和在太阳光模拟器中使用的紫外滤波器系统 Download PDF

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Abstract

本申请针对用于在太阳光模拟器中使用的光学滤波器系统，并包括至少一个辅助滤波器，所述辅助滤波器配置成不透射具有295nm或更短波长的光并配置成输出至少一个被调理信号；至少一个WG320光学滤波器，其配置成被所述被调理信号照射，并且输出具有大约300nm或者更大波长的至少一个部分滤波的信号；和至少一个UG11滤过器，其配置成被所述部分滤波的信号照射并且输出具有大约300nm到大约400nm波长的至少一个输出信号。

Description

太阳光模拟器和在太阳光模拟器中使用的紫外滤波器系统
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请系列号61/498,002的优先权，其题为“用于在太阳光模拟器中使用的紫外滤波器系统及制造方法”，其全部内容在此通过参考引入本文。
背景技术
目前，太阳光模拟器用于多种应用中。例如，能够再现太阳的光谱特性的光源用于测试各种保护涂层(例如涂料、着色剂、外部涂层等)的风化性能。此外，太阳光模拟器还可以用于针对皮肤癌、光生物学应用、光毒性测试、光过敏测试以及各种其它医学应用方面的研究。例如，太阳光模拟器经常用于确定各种化妆品，防晒乳，乳液，衣服等的防晒系数(后文中的SPF)。通常，SPF测试利用了皮肤对紫外(UV)辐射的红疹反应。更特别地，所述SPF是根据太阳光模拟器发出的紫外辐射能量而计算出的比率，所述紫外辐射能量被要求在对志愿者人的皮肤施加和不施加日光产品(sun product)的情况下引发最小的红疹反应。为了模拟用于SPF测试的UV光，太阳光模拟器的光谱输出必须符合管理标准。示例性标准包括：FDA非处方人用遮光剂药物产品，2007年8月；国际防晒系数(SPF)测试方法，2006年5月(COLIPA，CTFA，JCIA)；和ISO化妆品一防晒测试方法一防晒系数的活体内确定，ISO24444：2010。
为了符合这些标准，太阳光模拟器的输出必须遵行限定相对累积性红疹效应(％RCEE)的具体轮廓曲线。国际防晒系数(SPF)测试方法(有时称为COLIPA)如下限定了对太阳光模拟器的光谱要求(FDA与ISO标准类似)：
历史上，这种光谱轮廓曲线是通过由Scott公司制造的WG320与UG11彩色玻璃滤波器组合而获得的。图1A-1C示出了现有技术的滤波器系统1，其利用WG320长光学滤波器3和UG11UV通过光学滤波器5。如所示，具有输入光谱轮廓曲线13(参见图1B)的输入信号7入射到并透射通过WG320滤波器3从而产生部分滤波的信号9。部分滤波的信号9之后入射到UG11滤波器5上，所述UG11滤波器5发出具有期望输出光谱轮廓曲线15(参见图1C)的输出信号11。
尽管已经证明在图1中所示的现有技术配置在过去在某种程度上是有用的，但是也已发现了很多缺点。例如，WG320彩色玻璃需要抛光成批次具体(batch specific)的厚度以补偿透射变化。抛光工艺已被证实是一种劳动密集、耗时型的工艺。而且，玻璃制造商改变了WG320滤波器中所使用的材料以满足新的环境规定。作为结果，所期望的光谱轮廓曲线不再能够使用WG320与UG11彩色玻璃滤波器的组合而再现。图2和2A以曲线图示出了与包括旧制备的WG320光学滤波器的相同滤波器系统相比，如图1中所配置的滤波器系统(其包括新制备的WG320光学滤波器)的光谱输出。如图2A中所示，以前的WG320光学滤波器与新制备的WG320光学滤波器的区别在从大约290nm到大约310nm之间的波长处特别明显。因此，太阳光模拟器的许多制造商和测试公司依赖于以往制备的WG320滤波器的有限储备库存以制造太阳光模拟器。一旦这些WG320滤波器的储备库存耗尽，制造能够输出COLIPA测试方法标准的太阳光模拟器将被证实是困难的甚至是不可能的。
因此，根据以上所述，目前需要一种用于在太阳光模拟器中使用的能够满足COLIPA标准的紫外滤波器系统。
发明内容
本申请公开了太阳光模拟器以及用于在其中使用的光学滤波器系统的各种实施例。在一实施例中，本申请针对一种太阳光模拟器，并且包括灯壳体；至少一个灯，其定位在灯壳体内，并配置成发出多波长光；至少一个灯反射器，其定位在灯壳体内，并配置成将从所述灯发出的光的至少一部分反射出灯壳体；至少一个光学套件壳体，其联接到灯壳体；和至少一个光学套件，其定位在光学套件壳体中。所述光学套件包括至少一个辅助光学滤波器，所述辅助光学滤波器与灯反射器光学通信，并配置成将来自所述灯的多波长光滤波以产生至少一个被调理光学信号；至少一个WG320光学滤波器，所述WG320光学滤波器与辅助光学滤波器光学通信，并配置成将所述被调理光学信号滤波以产生至少一个部分滤波的信号；和至少一个UG11光学滤波器，所述UG11光学滤波器与WG320光学滤波器光学通信，并配置成将所述部分滤波的光学信号滤波以产生至少一个输出信号，所述至少一个输出信号包含具有从大约300nm至大约400nm波长的输出信号。
在另一个实施例中，本申请针对一种用于在太阳光模拟器中使用的光学滤波器系统，并且包括至少一个辅助滤波器，所述辅助滤波器配置成不透射于295nm或更短波长的光并且输出至少一个被调理信号；至少一个WG320光学滤波器，其配置成被所述被调理信号照射，并输出至少一个部分滤波的信号，所述部分滤波的信号具有大约300nm或者更长的波长；和至少一个UG11滤波器，其配置成被所述部分滤波的信号照射，并输出至少一个具有从大约300nm至大约400nm波长的输出信号。
本申请还公开了一种用于在太阳光模拟器中使用的光学滤波器系统，其包括至少一个辅助滤波器，所述辅助滤波器配置成输出至少一个被调理信号，所述辅助滤波器配置成透射具有约295nm或者更长波长的光；至少一个长光学滤波器，其配置成被所述被调理信号照射并输出至少一个部分滤波的信号，所述部分滤波的信号具有约300nm或更长的波长；和至少一个UV通过滤波器，所述UV通过滤波器配置成被所述部分滤波的信号照射，并输出至少一个波长范围为从大约300nm至大约400nm的输出信号。
如本文中所公开的太阳光模拟器以及用于在太阳光模拟器中使用的光学滤波器系统的实施例的其它特征和优点将通过思考下面的详述说明而变得显而易见。
附图说明
太阳光模拟器和用于在其中使用的光学滤波器系统的各种实施例将会通过附图更加详细地解释，其中：
图1A示出了用于在太阳光模拟器中使用的现有技术UV滤波器系统的示意图；
图1B以图形示出了在使用图1A中所示的UV滤波器系统进行滤波之前的光学信号在从大约280nm到大约400nm的光谱特性；
图1C以图形示出了在使用图1A中所示的UV滤波器系统进行滤波之后的输出光学信号在从大约280nm到大约400nm的光谱特性。
图2示出了原始制备的WG320滤波器的光谱性能的图形表示，并与新制备的WG320滤波器比较；
图2A示出了原始制备的WG320滤波器的光谱性能的更加详细的图形表示，并与新制备的WG320滤波器比较；
图3A示出了用于在太阳光模拟器中使用的新型光学系统的示意图；
图3B以图形示出了在使用图3A中所示的UV滤波器系统进行滤波之前的光学信号在从大约280nm到大约400nm的光谱特性；
图3C以图形示出了在使用图3A中所示的UV滤波器系统进行滤波之后的输出光学信号在从大约280nm到大约400nm的光谱特性；
图4A示出了在图3A中所示的滤波器系统中使用的辅助光学滤波器的示意图，其中，所述辅助光学滤波器从与入射光正交的位置偏移角度到第一位置；
图4B以图形示出了用于在图3A中所示的滤波器系统中使用的辅助光学滤波器的光谱特性，其中，所述辅助光学滤波器从与入射光正交的位置偏移角度到第一位置；
图5A示出了在图3A中所示的滤波器系统中使用的辅助光学滤波器的示意图，其中，所述辅助光学滤波器从与入射光正交的位置偏移角度到第二位置；
图5B以图形示出了用于在图3A中所示的滤波器系统中使用的辅助光学滤波器的光谱特性，其中，所述辅助光学滤波器从与入射光正交的位置偏移角度到第一位置；
图6示出了来自图3A中所示的新型光学滤光器系统的输出信号在从大约280nm到大约400nm的光谱轮廓曲线的图形表示；
图7示出了来自图3A中所示的新型光学滤光器系统的输出信号在从大约290nm到大约290nm的光谱轮廓曲线的对数表示；
图8示出了其内包含所述新型光学系统的太阳光模拟器的侧视图；和
图9示出了其内包括所述新型光学滤波器系统的太阳光模拟器的光学套件的较详细侧视图。
具体实施方式
图3示出了用于与太阳光模拟器一起使用的新型紫外光学滤波器系统的实施例。如示出的，滤波器系统20包括至少一个辅助波长滤波器或彩色玻璃可选滤波器22，至少一个WG320光学滤波器24或类似性能的长光学滤波器，和至少一个UG11光学滤波器26或类似性能的UV通过滤波器。在一个实施例中，辅助滤波器22包括电介质光学滤波器，所述电介质光学滤波器配置成预先调理、衰减或另外地改变至少一个光学信号。例如，在一个实施例中，辅助滤波器22配置成衰减、调理或另外地改变输入信号30在期望波长处的光谱轮廓曲线。例如，在一个实施例中，辅助滤波器22配置成改变输入信号30在低于约300nm处的光谱轮廓曲线。在另一个实施例中，辅助滤波器22配置成改变输入信号30在低于约310nm处的光谱轮廓曲线。在又一实施例中，辅助滤波器22配置成改变输入信号30在低于约400nm处的光谱轮廓曲线。可选地，在一个实施例中，辅助滤波器22包括至少一个由Newport公司生产的有色玻璃替代(CGA)光学滤波器。在另一个实施例中，任意种类或数量的光学滤波器可以用来形成辅助光学滤波器22。在另一个实施例中，辅助滤波器22可以包括一个或多个光学滤波器、光栅、全息光学元件、标准具、衰减器等。
如图3A中所示，辅助滤波器22可以定位成使得至少一个输入信号30首先入射到其上。可选地，辅助滤波器22可以定位在所述新型光学滤波器系统20中的任意位置。而且，多个辅助滤波器22可以定位在所述新型光学滤波器系统20中的多个位置处。
再次参见考图3A-3C，具有输入光谱轮廓曲线40(参见图3B)的输入信号30入射到并透射通过辅助滤波器22上并透过辅助滤波器22，因从而产生产至少一个条件被调理信号32。所述条被调理件信号32的至少一部分接着之后入射到WG320滤波器24上并透射通过WG320滤波器24，并从而产生至少一个部分滤波后的信号34。最后，部分滤波的信号34的至少一部分入射到并透射通过至少一个UG11滤波器26，所述UG11滤波器26输出具有期望输出光谱轮廓曲线42(参见图3C)的输出信号36。如图3C中所示，与现有技术的滤波器系统相比，本光学系统从大约285nm到大约310nm提供的性能要好得多。可选地，任意种类的附加光学元件或装置可以定位在滤波器系统20中的任意位置。示例性的附加光学元件包括(不限于)透镜、滤波器、光栅、调制器、反光镜、棱镜、传感器、探测器等。
如图3A中所示，通常，WG320滤波器24和UG11滤波器26被定位成与光轴L基本上正交(垂直)。相反地，辅助滤波器22可以从与光轴L正交的位置偏移角度。
图4A-4B和5A-5B以图形示出了(相对于光轴L)改变辅助滤波器22角度移位的效果。如图4A所示，辅助滤波器22可以从光轴L而定位在第一角度位移50处，这导致产生第一被调理信号52，其具有图4B中所示的光谱轮廓曲线。相反地，如图5A所示，辅助滤波器22可以从光轴L而定位在第二角度位移54处，这导致产生第二被调理信号56，其具有图5B中所示的光谱轮廓曲线。因而，被调理信号32的光谱轮廓曲线可以通过增大或减小辅助滤波器22相对于光轴L的角度移位来改变。在一个实施例中，辅助滤波器22定位在一个可旋转的光学平台上从而允许用户改变被调理信号32的光谱轮廓曲线。在另一个实施例中，辅助滤波器22可以定位在与至少一个控制器、探测器、传感器等通信的可旋转平台上。因而，光学滤波器系统20可以配置成作为自动化系统而运行。
图6和7示出了在图3A中所示的新型光学滤波器系统20的输出的各种图形表示。图6示出了输出信号36从大约280nm到大约400nm的光谱轮廓曲线。相反地，图7示出了新型光学滤波器系统20的输出信号36从大约290nm到大约290nm的光谱轮廓曲线的更为详细的对数表示。如所示出的，由新型滤波器系统20产生的输出信号36的光谱轮廓曲线基本上再现了(包含原始制备的WG320光学滤波器3的)现有技术系统1(参见图1)的输出信号11的输出光谱轮廓曲线15。
图8和9示出了结合此处所公开的新式光学滤波器系统20的太阳光模拟器的实施例。如所示出的，太阳光模拟器96包括灯壳体98和光学套件壳体100。灯壳体98包括定位在其中的至少一个灯或者类似的光源104。在一个实施例中，灯104包括氙光源，所述氙光源配置成发出多波长光。可选地，配置成发出具有任意种类光谱轮廓曲线的任意种类的光源可以被使用。而且，多个灯104可以定位在灯壳体98内。例如，灯壳体98可以包含第一灯和第二灯。可选地，在多灯配置中，所述灯可以是相同类型的灯或者可以不同。在一个实施例中，第一灯可以配置成发出具有第一光谱轮廓曲线或者波长谱线的光，而第二灯可以配置成发出具有第二光谱轮廓曲线或者波长范围的光。
再次参考图8和9，至少一个反射器106定位在灯壳体98内并且配置成将来自灯104的光的至少一部分反射出灯壳体98。本领域技术人员将理解的是，任意种类的装置可以用于形成所述反射器，包括例如反射镜、光栅等。
如图8和9所示，至少一个光学套件壳体100与灯壳体98联接。在一个实施例中，光学套件壳体100与灯壳体98可拆卸地联接。在另一个实施例中，光学套件壳体100与灯壳体98不可拆卸地联接。光学套件壳体100包括至少一个辅助滤波器或CGA滤波器122，其通过反射器106与灯104光学通信。如上所述，CGA滤波器122配置成调理或衰减入射光光谱轮廓曲线的至少一部分。在一个实施例中，辅助滤波器被定位成与入射光正交。在可替换实施例中，辅助滤波器122从与入射光束正交的位置偏移角度。可选地，辅助滤波器122可定位在光学套件壳体内的可旋转平台上，从而允许用户根据需要调整辅助滤波器122的性能。
再次参考图8和9，至少一个WG320滤波器124被定位在光学套件壳体内。如所示出的，WG320滤波器定位成与入射光正交并且其与辅助滤波器122光学通信。被透射通过WG320滤波器的光之后入射到光学套件反射器120上，所述光学套件反射器120将所述部分滤波的光反射到UG11滤波器126。在一个实施例中，WG320滤波器124和UG22滤波器126中的至少一个可以被用户容易地移除和改变。可选地，WG320滤波器，UG11滤波器或此二者可以不被用户容易地改变。最后，光从光学套件壳体100发出并指向工作表面。
如图8和9所示，可选地，附加光学元件可以定位在太阳光模拟器96的任何部位中。例如，如图8所示，至少一个匀光器128定位在光学套件壳体中。此外，至少一个透镜130可以用于将输出光束聚焦到所期望的位置。本领域技术人员将理解的是，任意种类的装置或者光学元件可以用在本系统中，包括(不限于)，透镜、反光镜、光栅、探测器、光学滤波器等。
本领域技术人员将理解的，上述各种元件可以定位在遍及系统的各种位置处。例如，辅助滤波器22、WG320滤波器24和UG11滤波器26(参见图3A)可以重新布置成任何期望的配置。此外，任意种类的其它光学装置、部件或者元件可以包括在滤波器系统20中，包括(不限于)控制器、可旋转平台、可移动平台、透镜、棱镜、标准具、滤波器、光栅、探测器、传感器、调制器、衰减器等。因而，本文公开的实施例解释了本发明的原理。在本发明范围之内的其它变型可以采用。因此，本申请中所公开的装置不限于本文所精确示出并描述的。

Claims (18)

1.一种太阳光模拟器系统，包括：
灯壳体；
至少一个灯，其定位在所述灯壳体内，并配置成发出多波长光；
至少一个灯反射器，其定位在所述灯壳体中，并配置成将从所述灯发出的光的至少一部分反射出所述灯壳体；
至少一个光学套件壳体，其联接到所述灯壳体；
至少一个光学套件，其定位在所述光学套件壳体中，所述光学套件具有：
至少一个辅助光学滤波器，其与所述灯反射器光学通信，并配置成将来自所述灯的多波长光滤波以产生至少一个被调理光学信号；
至少一个WG320光学滤波器，其与所述辅助光学滤波器光学通信，并配置成将所述被调理光学信号滤波以产生至少一个部分滤波的信号；和
至少一个UG11光学滤波器，其与所述WG320光学滤波器光学通信，并配置成将所述部分滤波的光学信号滤波以产生至少一个输出信号，所述至少一个输出信号包含具有从大约300nm至大约400nm波长的输出信号。
2.根据权利要求1所述的太阳光模拟器系统，其中，所述灯包括氙灯。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助光学滤波器包括电介质光学滤波器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助光学滤波器被定位成与其上的光正交。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助滤波器从与入射于其上的光相正交的位置而角度移位。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述辅助滤波器被定位在能旋转的平台上。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个匀光器，所述至少一个匀光器位于所述辅助滤波器和所述WG320滤波器之间。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个透镜，所述至少一个透镜定位在所述光学套件壳体中。
9.一种用于与宽带光源一起使用的光学滤波器系统，包括：
至少一个辅助滤波器，其配置成不透射具有295nm或更短波长的光，并且配置成输出至少一个被调理信号；
至少一个WG320光学滤波器，其配置成由所述被调理信号照射，并输出至少一个部分滤波的信号，所述至少一个部分滤波的信号具有大约300nm或者更长的波长；和
至少一个UG11滤过器，其配置成由所述部分滤波的信号照射，并输出具有大约300nm至大约400nm波长的至少一个输出信号。
10.根据权利要求9所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器包括电介质滤波器。
11.根据权利要求10所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器被定位成与入射在其上的光正交。
12.根据权利要求10所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器配置成从与入射到辅助滤波器上的光相正交的位置而角度移位。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述辅助滤波器被定位在能旋转的平台上。
14.一种用于在宽带光源中使用的光学滤波器系统，包括：
至少一个辅助滤波器，其配置成输出至少一个被调理信号，所述辅助滤波器配置成透射具有约295nm或者更长波长的光；
至少一个长通光学滤波器，其配置成由所述被调理信号照射并输出至少一个部分滤波的信号，所述部分滤波的信号具有约300nm或者更长的波长；和
至少一个UV通过滤波器，其配置成由所述部分滤波的信号照射，并输出具有大约300nm至大约400nm波长范围的至少一个输出信号。
15.根据权利要求14所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器包括电介质滤波器。
16.根据权利要求14所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器被定位成与入射在其上的光正交。
17.根据权利要求14所述的光学滤波器系统，其中，所述辅助滤波器配置成从与入射到辅助滤波器上的光相正交的位置而角度移位。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述辅助滤波器被定位在能旋转的平台上。
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