CN104483751A - 一种高漫射系数高亮度光源发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光源技术领域，公开了一种高漫射系数高亮度光源发生装置，包括：光源模块，为光纤束提供与其入射端端面大小相等的平面光源；光纤束，其入射端接收所述光源模块发出的光，出射端将所述光传输至光纤半球发射器；光纤半球发射器，所述光纤束的出射端在光纤半球发射器的半球壁上以等立体角方式排布，且每根光纤出射端的端面与半球内壁处于同一表面；所述光纤光球发射器的开口上方设置底板，底板圆心位置设置乳玻窗。本发明将普通光源发出的光聚焦到光纤束端面，经过光纤半球发射器在其乳玻窗端面形成了高漫射系数高亮度源，其漫射系数和亮度动态范围均可以达到比现有技术更高的级别，使用其进行光学测量，精度更好，效果更佳。

Description

一种高漫射系数高亮度光源发生装置
技术领域
本发明属于光源技术领域，涉及一种高漫射系数高亮度光源发生装置。
背景技术
高漫射系数高亮度源是很多光学设备和光学测量所需要的光源，例如在大光学密度的测量中就需要超高的漫射系数和高亮度，否则测量数据无法统一。通常，漫射系数达到0.9以上、亮度达到1*104cd/m2以上，就属于本领域的高漫射系数高亮度光源。但是亮度越高，越难以实现高漫射系数，例如美国国家标准和技术研究院(NIST)设计的单片乳玻方案漫射系数只有0.91，难以完全满足国际标准ISO 5-2的规定；德国物理技术研究院(PTB)的乳玻加积分球方案虽能满足规定，但对光通量衰减较大，即亮度不高，测量范围受限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种高漫射系数高亮度光源发生装置，实现光源满足高漫射系数的同时，其亮度也能够达到要求的数值，满足光学设备和光学测量需要。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高漫射系数高亮度光源发生装置，其包括：
光源模块10，为光纤束20提供与其入射端203端面大小相等的平面光源；
光纤束20，其入射端203接收所述光源模块10发出的光，出射端202将所述光传输至光纤半球发射器301；
光纤半球发射器301，所述光纤束20的出射端202在光纤半球发射器301的半球壁上以等立体角方式排布，且每根光纤出射端202的端面与半球内壁处于同一表面；所述光纤光球发射器301的开口上方设置底板302，底板圆心位置设置乳玻窗303。
优选地，所述光纤束20的排布方式以所有光纤出射端202的几何延长线交汇于光纤半球发射器301的半球球心为准，且乳玻窗303的中心与半球球心重合。
优选地，所述光纤束20中光纤条数n满足以下公式：
n = trunk ( k M m u )
其中，trunk为取整数，k为换算系数，m为光纤芯径，M为半球直径，u为光纤的光谱衰减系数。
优选地，所述k取14.5dB-2。
优选地，所述光纤束20中包括216根光纤，所述光纤半球发射器301的直径为10.2mm。
优选地，所述光纤束20中的光纤为多模光纤，其光谱特性为在不小于380nm-780nm的范围内衰减系数小于0.1dB。
优选地，所述光纤半球发射器301和底板302使用硬铝材料加工而成。
优选地，所述光纤半球发射器301的内壁为光反射面，其上喷涂有聚酯氟乙烯层，且在不小于380nm-780nm的范围内的光谱反射率高于97％。
优选地，所述光纤束20的入射端203固定在铝制套筒201内，其端面形成光纤半球发射器301的入射窗。
优选地，所述底板302上设置有散热通道。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高漫射系数高亮度光源发生装置，将普通光源发出的光聚焦到光纤束端面，经过光纤半球发射器在其乳玻窗端面形成了高漫射系数高亮度源，其漫射系数和亮度动态范围均可以达到比现有技术更高的级别，使用其进行光学测量，精度更好，效果更佳。
附图说明
图1为本发明一种实施例的高漫射系数高亮度光源发生装置的结构示意图；
图2为图1中光纤与光纤半球发射器的三维模拟图；
图3为图1中光纤半球发射器的安装结构示意图；
图4为图1中光纤半球发射器内光路分布示意图。
图中：10-光源模块；101-卤钨灯；102-离轴椭球镜；103-吸热玻璃；104-平面反射镜；105-可变光阑；20-光纤束；201-套筒；202-出射端；203-入射端；30-光纤半球发射器模块；301-光纤半球发射器；302-底板；303-乳玻窗；A-光出射窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1至图4所示，本实施例高漫射系数高亮度光源发生装置包括：光源模块10、光纤束20和光纤半球发射器模块30；具体地，光源模块10用于为光纤束20提供与其入射端面大小相等的平面光源；光纤束20的入射端203接收光源模块10发出的光，出射端202将所述光传输至光纤半球发射器模块30，经由光纤半球发射器模块30转换为高漫射系数高亮度的光源。
参照图1所示，光源模块10包括卤钨灯101、离轴椭球镜102、吸热玻璃103、平面反射镜104和可变光阑105；卤钨灯101作为原始光源，设置在离轴椭球镜102的底部中间位置，离轴椭球镜102的开口处设置吸热玻璃103，与吸热玻璃103呈45°夹角设置平面反射镜104，经过平面反射镜104，使得水平照射在其上的光方向改变为竖直方向，光的出射位置设置可变光阑105，通过调整可变光阑105，使得光汇聚成与光纤束20的端面大小相等的平面光源。
参照图2至图4所示，光纤半球发射器模块30包括光纤半球发射器301、底板302和乳玻窗303；光纤半球发射器301为半球状，其开口上方设置底板302，底板圆心位置设置乳玻窗303；光纤束20包括多根光纤，光纤的入射端203固定在铝制套筒201内，其端面形成光纤半球发射器301的入射窗；光纤束20的出射端202在光纤半球发射器301的半球壁上以等立体角方式排布，且每根光纤出射端202的端面与半球内壁处于同一表面；由此实现光纤束20的入射端203接收光源模块10发出的光，出射端202将光传输至光纤半球发射器301。
其中，光纤束20的排布方式以所有光纤出射端202的几何延长线交汇于光纤半球发射器301的半球球心为准，且乳玻窗303的中心与半球球心重合。
本实施例中，使用光纤半球发射器与乳玻窗想结合的结构，使得由半球球壁发出的光束照射在半球球心上，经乳玻窗散射后，形成接近于理想的余弦辐射源。
乳玻窗指用乳玻材料制作的光出射窗口A，乳玻材料是乳白玻璃材料的简称，乳白玻璃是乳色玻璃的一种。乳色玻璃是具有良好漫反射性能的一种玻璃材料，一般的乳色玻璃的漫反射比能够达到75％左右，而乳白玻璃是其中漫反射性能提高的一类乳色玻璃，其漫反射比能够达到85％以上。对于本实施例来说，要求漫反射越高越好，所以选用乳玻窗作为光出射窗口，以提高漫射系数。
本实施例中，光纤束20中光纤条数n满足以下公式：
n = trunk ( k M m u )
其中，trunk为取整数，k为换算系数，m为光纤芯径，M为半球直径，u为光纤的光谱衰减系数；k取14.5dB-2。
光纤半球发射器301的半球半径以及光纤束20中光纤的条数可以变化，既可以增大，也可以减小，但其变化和后面的乳玻窗303以及所使用的普通光源卤钨灯101的参数(如功率、光谱、面均匀性)相关，评判标准是乳玻窗出射面的漫射系数和光通量两个参数都增大为佳，评判方法是通过设定漫射系数和光通量与前述多参数之间的数学模型，按照最小二乘法，多次迭代递归计算。优选地，在半球直径为10.2mm和216根光纤时的结果最好，即漫射系数和光通量均达到最大。
其中，光纤束20中的光纤优选为多模光纤，其光谱特性为在不小于380nm-780nm的范围内衰减系数小于0.1dB，由此可以使整个发生装置具有宽光谱特性，同时在光纤束的传播中尽可能少的减少传输损耗。
所述光纤半球发射器301和底板302使用硬铝材料加工而成。其中，光纤半球发射器301使用硬铝材料，便于其外球面和光纤束20中的光纤端头进行胶合，这两种材料的胶合具有非常好的年稳定性。底板302使用和光纤半球发射器301同种硬铝材料，是为了二者之间具有相同的热膨胀系数，这样二者的耦合就具有稳定性，而且乳玻窗303是由底板302确定位置的。所以对于由光纤半球发射器301、底板302、乳玻窗303构成的整个漫射腔体来说，也是一个热性能稳定的结构体，保证了最终的光出射窗口A的光的最佳稳定性。
优选地，所述光纤半球发射器301的内壁为光反射面，其上喷涂有聚酯氟乙烯层，且在不小于380nm-780nm的范围内的光谱反射率高于97％。使用聚酯氟乙烯作为光纤半球发射器301内壁的涂层，可以使光纤半球发射器301内壁在不小于380nm-780nm的范围内具有高于97％的光谱反射率，这样在光纤半球发射器301内壁发生的多次漫反射后，最大程度的减少光损耗，增强了最终光出射窗口A的光强。
此外，底板302上设置有散热通道；散射通道通常采用空气对流的方式散热，其外表面的侧面通常加工成散热片形式。
在实际使用过程中，将普通光源发出的光通过光学系统聚焦到光纤束的端面，经过光纤半球发射器在其乳玻窗端面形成了高漫射系数高亮度源，其漫射系数可以达到0.945，其亮度动态范围可以达到108数量级，使用其测量漫透射视觉光学密度时，可以测量得到6.0D；由此，形成了高漫射系数高亮度源，其漫射系数和亮度动态范围均可以达到比现有技术更高的级别，使用其进行光学测量，精度更好，效果更佳。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，包括：
光源模块(10)，为光纤束(20)提供与其入射端(203)端面大小相等的平面光源；
光纤束(20)，其入射端(203)接收所述光源模块(10)发出的光，出射端(202)将所述光传输至光纤半球发射器(301)；
光纤半球发射器(301)，所述光纤束(20)的出射端(202)在光纤半球发射器(301)的半球壁上以等立体角方式排布，且每根光纤出射端(202)的端面与半球内壁处于同一表面；所述光纤光球发射器(301)的开口上方设置底板(302)，底板圆心位置设置乳玻窗(303)。
2.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤束(20)的排布方式以所有光纤出射端(202)的几何延长线交汇于光纤半球发射器(301)的半球球心为准，且乳玻窗(303)的中心与半球球心重合。
3.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤束(20)中光纤条数n满足以下公式：
n = trunk ( k M m u )
其中，trunk为取整数，k为换算系数，m为光纤芯径，M为半球直径，u为光纤的光谱衰减系数。
4.如权利要求3所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述k取14.5dB-2。
5.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤束(20)中包括216根光纤，所述光纤半球发射器(301)的直径为10.2mm。
6.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤束(20)中的光纤为多模光纤，其光谱特性为在不小于380nm-780nm的范围内衰减系数小于0.1dB。
7.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤半球发射器(301)和底板(302)使用硬铝材料加工而成。
8.如权利要求7所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤半球发射器(301)的内壁为光反射面，其上喷涂有聚酯氟乙烯层，且在不小于380nm-780nm的范围内的光谱反射率高于97％。
9.如权利要求1所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述光纤束(20)的入射端(203)固定在铝制套筒(201)内，其端面形成光纤半球发射器(301)的入射窗。
10.如权利要求1-9中任一项所述的高漫射系数高亮度光源发生装置，其特征在于，所述底板(302)上设置有散热通道。
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刘子龙等: "大幅提高视觉密度国家基准测量水平的方法研究", 《物理学报》 *
陈锐等: "视觉漫透射密度基准的研究", 《计量学报》, vol. 32, no. 4, 31 July 2011 (2011-07-31) *

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