CN104713644A - 波导光学照明测色探头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种波导光学照明测色探头，此装置采取波导光学照明作为主要的照明方式。贴片LED作为照明光源，被均匀地安装在测色仪感光单元外部的圆周上。贴片LED同时与光波导的入射端相连接，待测样品被放置在光波导的出射端，在测量过程中被光波导所传输的LED贴片光源所发出的光均匀照明。聚光透镜将样品在垂直方向上的反射光汇聚在感光单元上，通过感光单元测量出样品的色度值。此种测色探头最大特点为体积小、能耗低、发热少、实用性高，适用于液体和染料样品的色度测量，具有较高的经济效益和社会效益。

Description

波导光学照明测色探头

技术领域

本发明为一种波导光学照明测色探头，以波导光学照明为主要的照明方式，属于色度测量仪器的附件部分，主要涉及测色仪的测色探头。

背景技术

目前，测色仪探头在进行色度测量中多以光源直接照明为主要照明方式，其中照明光源多以卤钨灯为主。对于光源垂直入射的照明系统，样品的反射光被积分球所收集，经归一化处理得到待测样品的色坐标；对于光源斜入射的照明系统，样品的反射光或漫反射光经过特定的滤色片后，被汇聚透镜汇聚到探测器上从而得到归一化的色坐标。虽然卤钨灯能够提供色度测量所需的稳定的连续光谱，但卤钨灯的体积和功率都较大，在正常工作时会产生大量的热量，因此往往需要加装相应的散热装置，这样明显加大了测色仪探头的体积和能耗。另一方面，光源发出的光也往往会对样品的色度测量产生影响，光源过强或过弱，都会对样品的色度测量产生直接干扰。

发明内容

为了解决上述的卤钨灯作为光源直接照明时产生的问题，本发明提出了一种波导光学照明测色探头，此装置采取波导光学照明作为主要的照明方式。其测量部分主要由波导光学照明装置，聚光镜头，镜头调节装置，镜头固定装置，感光单元，探头底座组成。贴片LED作为主要光源，LED发出的光通过光波导照明被测样品来测量样品颜色。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：贴片LED作为照明光源，被均匀地安装在测色探头中心感光单元外部的圆周上，在感光单元的垂直方向上安装有聚光透镜，聚光透镜通过固定装置被固定在基板上，聚光透镜距离感光单元的垂直距离可以通过透镜微调装置来调节。同时贴片LED与光波导的入射端相连接，待测样品被放置在光波导的出射端，在测量过程中被光波导所传输的LED贴片光源所发出的光均匀照明。聚光透镜将样品在垂直方向上的反射光汇聚在感光单元上，通过感光单元测量出样品的色度值。

光在不同介质界面传播时会发生反射与折射，本发明中贴片LED光源发出的光在光波导内以全内反射的形式传播。

光的折射定律的公式为：

n₁·sini₁=n₂·sini₂

光的反射定律的公式为：

i₂＝i₂

当光线从光密介质入射到光疏介质时，若入射角达到或超过某一临界角时，便会发生全内反射，此时光线将在此种光密介质中传播而不会泄露到外部。本发明中的光波导对应着此种光密介质，光波导外部的空气对应着光疏介质。发生全内反射时：

全内反射的临界角为：

$i_2={\sin }^{-1}\frac{n_1}{n_2}$

光波导的外形为一个将圆锥曲线沿对称轴旋转后所得到的壳状结构，光波导的内部中空，在其内部安装有聚光透镜和感光单元等装置。在光波导的壳状结构的内层镀有反射膜，其作用是防止在光波导中传播的光源光线泄露到壳状结构，从而避免对感光单元的探测产生影响。因此，这个光波导外壳既有传播、聚集光源光线的作用，也有遮光罩的作用。

感光单元在收集到含有待测样品的色彩信号的光线后，会将此信号做进一步处理并最终获得待测样品的色度值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于采取贴片LED代替卤钨灯作为照明光源，大大降低了装置的能耗。2、无需为照明光源配备散热装置，加之光波导壳状结构的设计，缩小了装置的整体体积，节省空间。3、光波导壳状结构，既充分照明了待测样品，又减少了照明光源对色度测量的影响。4、配备均匀的光波导照明，可以被用来测量液体、染料等样品的色度。因此本发明作为一种新型测色探头，可以被广泛的应用于测色领域，具有较高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构的侧视图。

图2是本发明的俯视平面的透视图。

图3是光在不同光学介质界面处发生反射和折射的示意图。

图4是样品表面光线经聚光透镜汇聚在感光单元上的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明的侧视图如图1所示。包括探头底座11、感光单元12、镜头固定装置13、贴片LED光源14、光波导材料15、镀铝反射膜16、镜头微调装置17、聚光镜头18、待测样品19。

为了能更加直观的理解本发明的内部结构，有必要对平面透视图图2作简要说明。图2中各装置分别为：贴片LED光源21、光波导材料22、镀铝反射膜23、镜头固定装置24、感光单元25。

一般情况下，光源颜色为白色，贴片LED在壳状光波导的入射端均匀对称的排列。光源发出的光线进入到光波导材料中，由于光波导的内测镀有铝的反射膜，因此在此界面仅存在反射；而在光波导与空气的界面会发生反射与折射，具体情形如图3所示。光波导的材质为PMMA(有机玻璃)，环境温度为25摄氏度时其折射率取1.49，空气的折射率取1，对应着图中的n₂=1.49，n₁=1。

根据全反射发生时的临界角公式，临界角为：

当入射角i₂大于42.2°时，光线便会在介质界面发生全反射，从而在光波导中不断向前传播。光波导的出射端的倾角为45°，环形的出射端口组成一个与医用无影灯效果相似的装置，使得待测样品的表面被均匀的照亮。

待测样品被45°角入射的光源均匀照明后，感光单元在垂直方向上接受并处理含有待测样品表面颜色的信号的光线，此阶段如图4所示。根据高斯成像公式：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{l^{\′}}=\frac{1}{f}$

当l＝2f时，l′＝2f，此时成像的垂轴放大率为1。因此图1中的感光单元12和待测样品19距离聚光镜头18的中心的垂直距离均为2倍的透镜焦距，实际使用中可以利用镜头微调装置17对聚光镜头18的位置做细微调节，以求达到最好的测量效果。

镀铝反射膜16通常采取蒸镀或电镀的方法制备，为了使反射的效果比较稳定，镀膜厚度需在500nm以上。由于铝在空气中会被氧化形成稳定的氧化膜，较厚的铝反射膜会对反射界面处的金属铝起到保护作用，从而延长整体装置的使用寿命。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。因此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波导光学照明测色探头，主要由波导光学照明装置，聚光镜头，镜头调节装置，镜头固定装置，探头底座组成，贴片LED光源通过光波导照明被测样品来测量样品颜色。

2.根据权利要求1中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的波导光学照明装置包括LED贴片光源、光波导以及光波导内层反射膜。

3.根据权利要求1中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的探头底座，将承载波导光学照明装置以及镜头固定装置。

4.根据权利要求1中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的镜头调节装置，可微量调整镜头与光感单元在垂直方向上的距离。

5.根据权利要求2中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的LED贴片光源，均匀的排列在光波导的入射端，其所发出的的光线在光波导中发生全反射并最终照明被测样品。

6.根据权利要求2中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的光波导是一种绕圆锥曲线对称轴旋转所成的壳状结构，光源光线在此壳状结构中以全内反射形式传播。

7.根据权利要求2中所述的波导光学照明测色探头，其特征在于，所述的光波导内层反射膜为金属铝薄膜。