CN105388610B - 一种连续可调光强的光衰减装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续可调光强的光衰减装置，该装置包括光源及两个或两个以上的积分球，每个积分球上设有进光孔和出光孔，各个积分球之间顺序级联，即前一个积分球的出光孔连接后一个积分球的进光孔，顺序级联的两个积分球连接部位均装有电子可变光阑，用来调节进入积分球和从积分球出射的光辐射通量。本发明的装置可实现光强的分段连续衰减，可实现定量化调节，衰减后光强分布均匀，且衰减系数调节范围广，可应用于大范围连续定量调节的光衰减器、器件或设备的光探测灵敏度探测、光源的辐射量和颜色测量、光谱特性分析等多个领域。

Description

一种连续可调光强的光衰减装置
技术领域
本发明涉及光强衰减技术领域和光学测量技术领域，具体涉及一种可以连续调节光强的衰减装置。
背景技术
在光路中，光衰减片和匀光板可以实现光衰减和匀光。光衰减片利用光的吸收和反射作用来衰减一定波段范围内的光强。光衰减片具有一定的衰减系数，但是不可调节，若需要不同强度的光线，需要准备多个不同衰减系数的衰减片，再根据需要进行更换，这增加了操作的复杂性和成本。现有光衰减装置(如申请号为201310603534.9的中国专利《日盲紫外滤光片带外截止深度测试装置》采用光衰减片进行光衰减)，存在光衰减不定量、衰减后光强分布不均匀、且衰减光源的强度不可以连续调节等缺点，使得衰减装置在某些实际应用中，存在衰减系数小，衰减后光强仍达不到衰减要求的问题。因此，不能满足精密的光学测量的要求，也难以在某些方面，如传感器灵敏度检测中应用。
鉴于此，在精密测量领域一般不使用衰减片，而采用积分球装置。积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体。球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔、放置光接收器件的接收孔和出光孔。积分球内壁上涂以反射率很高的漫反射材料，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。积分球一般用来做匀光光源和光衰减。与传统的光衰减片和匀光板相比，积分球可以实现均匀衰减的光分布，因此，被广泛应用在光源的发光特性研究、光谱特性分析、器件和设备的标定、高精度光学测试等领域。
但在某些特定应用，如传感器灵敏度检测中，要求非常弱的光源，因此，对衰减装置的衰减系数要求较高，且要求出射光强在小范围内连续可调。此时，为满足使用要求，需要大口径积分球和高衰减系数的衰减片，这样导致加工难度、质量和成本都很高，甚至利用现有实际工艺根本无法加工。
发明内容
针对以上现有技术中存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种连续可调光强的光衰减装置，该装置在大范围内可以连续调节衰减光强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种连续可调光强的光衰减装置，该装置包括光源及两个或两个以上的积分球，每个积分球上设有进光孔和出光孔，各个积分球之间顺序级联，即前一个积分球的出光孔连接后一个积分球的进光孔，顺序级联的两个积分球连接部位均装有电子可变光阑，用来调节进入积分球和从积分球出射的光辐射通量。
各个积分球上还设有用于探测积分球内壁上的辐照度的光功率计。
所述光功率计选用电流型光功率计或光子计数型光功率计或者这两种的组合。
进一步地，在光源入射的第一个积分球进光孔上安装有滤光片，用来滤除杂散光。
所述电子可变光阑包括通光孔、挡板和电机，电机带动挡板左右移动。
所述电子可变光阑包括多个叶片、光阑调整环、齿轮和电机，多个叶片组成旋转环形并且环形的外缘由光阑调整环固定，光阑调整环与齿轮连接，齿轮由电机控制转动。
进一步地，各个积分球之间通过连接装置连接，所述连接装置包括两个内外放置的连接圈，连接圈之间通过连接件或者橡胶圈固定连接，或者在外连接圈的内侧以及内连接圈的外侧分别对应设有凹槽，凹槽内设有弹簧和钢珠，其中弹簧设置在内连接圈的凹槽内，钢珠设在弹簧的顶部，在弹簧力的作用下钢珠固定在外连接圈的凹槽内，从而使得两个连接圈连接在一起。
优选地，所述连接装置中，与电子可变光阑相连的连接圈上设有限位台。
优选地，所述电子可变光阑和相连的连接圈的周向上分别设置有螺纹，两者通过螺纹实现紧固连接。
本发明能够解决目前市场上光衰减装置存在的技术缺陷，具有以下优点：
(1)该装置可实现光强的分段连续衰减，可实现定量化调节。衰减后光强分布均匀，且衰减系数调节范围广。
(2)申请号为201410312773.3的中国专利《日盲紫外辐照度定标装置》，公开了一种日盲紫外辐射照度定标装置，其采用单个积分球进行光衰减，衰减后的出射紫外光辐照度为10-7-10-13W/cm2，在实际应用中，这无法满足更灵敏的日盲紫外探测器灵敏度的检测要求。当本发明的级联装置用于日盲紫外波段时，衰减后的出射紫外光辐照度可以达到10-17-10-19W/cm2，远远高于上述单个积分球专利的辐照度。
(3)本发明的装置可应用于大范围连续定量调节的光衰减器、器件或设备的光探测灵敏度探测、光源的辐射量和颜色测量、光谱特性分析等多个领域。
附图说明
图1是本发明光衰减装置的结构示意图；
图2是本发明电子可变光阑的第一实施结构图；
图3是本发明电子可变光阑的第二实施结构图；
图4是本发明两个积分球出光孔和进光孔的连接方式一；
图5是本发明两个积分球出光孔和进光孔的连接方式二；
图6是本发明两个积分球出光孔和进光孔的连接方式三。
图中，1-光源，2-进光孔滤波片，3-光功率计，4-第一积分球，5-第二积分球，6-第三积分球，7-第四积分球，8-电子可变光阑，9-出光孔，10-通光孔，11-挡板，12-电机，13-叶片，14-光阑调整环，15-齿轮，16-连接圈A，17-连接圈B，18-螺钉，19-钢珠，20-弹簧，21-橡胶圈，22-凸台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种连续可调光强的光衰减装置，包括光源1、两个或两个以上的积分球，其中，每个积分球上包含进光孔、出光孔9、用于探测积分球内壁上的辐照度的光功率计3，第一积分球4进光孔上安装有滤波片2，用来滤除杂散光，其余积分球的进光孔和出光孔上均装有电子可变光阑8，用来调节进入积分球和从积分球出射的光辐射通量，进而实现出射光强的分段连续调节。各个积分球之间顺序级联，前一个积分球的出光孔与后一个积分球的进光孔连接，连接部位设置有电子可变光阑，如第一积分球4的出光孔连接第二积分球5的进光孔。
从光源1出射的光束，经过滤波片2滤除杂散光后，从第一积分球4的进光孔进入第一积分球4，光束在第一积分球4内经过多次漫反射后，从出光孔9出射，出射光为经过衰减的均匀分布的辐射光。输出强度和输入强度之比大约为：光输出孔面积/及分球内部的表面积。在出光孔9位置设置有电子可变光阑8，可以调节出光孔或进光孔的大小，进而调节输出光辐射通量。同时，在积分球内壁上，还开有一个小孔，放置有光功率计3，用来探测光辐照度，可观察光功率计的读数来调节光辐照度到所需的值。
光经第一积分球4衰减后，从第一积分球4中出射的光束将直接进入第二积分球5，经第二积分球5再次衰减后，从第二积分球5中出射的光束将直接进入第三积分球6，依次类推。各积分球之间顺序级联。
本发明的装置可通过增减积分球数量来大范围的调节出射光强，通过调节电子可变光阑8来小范围的调节出射光强。其中电子可变光阑8可改变通光孔的大小，进而控制光强；同时，多个积分球可对光源的光强进行多级次衰减。二者结合可以实现光强的分段连续调节。同时，每个积分球上都安装有光功率计，可以实时探测该该积分球内壁的光辐照度，实现了衰减光强的定量化调节，且入射光束经过积分球内壁的多次漫反射，出射的衰减光分布均匀。本发明通过多个积分球级联，实现入射光的多级衰减，可根据需要选择级联的积分球数量，大大增加了该装置光衰减系数的调节范围，可以根据使用需要调节出较强的衰减光，也可以调节出很弱的衰减光。
本发明装置中所使用的电子可变光阑可以有以下两种结构形式：
1、如图2所示，电子可变光阑8由通光孔10、挡板11和电机12三部分组成。通过控制电机12调节挡板11左右移动，当挡板11向左移动时，挡板11与通光孔10重合区域逐渐加大，通光光阑变小，出光孔光辐射通量变小；当挡板11向右移动时，挡板11和通光孔10重合区域逐渐减小，通光光阑变大，出光孔光辐射通量变大。
2、如图3所示，电子可变光阑8由多个叶片13组成，叶片13外缘是光阑调整环14，光阑调整环14与齿轮15连接，齿轮15由电机12控制转动。齿轮15转动带动环圈调节环转动，进而带动叶片13的旋转，叶片13的旋转引起通光光阑面积大小的变化，以此来调节出光孔光辐射通量。
积分球出光孔和进光孔之间的连接，可通过设置一连接装置将顺序级联的两个积分球连接在一起，主要有以下三种方式：
1.如图4所示，该连接装置包括与第一个积分球出光孔连接的连接圈A16，包括与第二个积分球的进光孔连接的连接圈B17，还包括用于将连接圈A16和连接圈B17固定在一起的若干连接件。连接圈A16和连接圈B17配合，二者之间通过连接件如螺钉18固定。
2.连接圈A16和连接圈B17配合。连接圈B17上安装有钢珠19，连接圈A16上有对应的凹槽，用来固定钢珠19。钢珠19一端安装有弹簧20，使得钢珠可进行微小的伸缩。连接圈A16和连接圈B17连接后，通过钢珠19固定。连接圈B17上有若干凹陷部，其内分别有一处于压缩的弹簧20，和位于弹簧20上的钢珠19。连接圈A16与其对应的位置有若干凹槽，当连接圈A16和连接圈B17固定连接时，钢珠19在弹簧力的作用下固定在连接圈A16的凹槽内，实现固定连接。
3.连接圈A16和连接圈B17配合。在连接圈B17上安装有橡胶圈21，用来固定连接圈A16和连接圈B17。
电子可变光阑8位于两个积分球其中任意一个积分球和连接装置中的连接圈之间。当可变光阑从积分球方向装入连接圈中时，连接圈中的凸台22限制可变光阑的移动，阻止可变光阑的继续前进，使其停止在固定位置。该可变光阑可以通过连接装置固定在积分球和连接圈之间。同样的，该可变光阑的周向也可以设置成螺纹，利用在连接圈上设置相反螺纹，两者通过螺纹实现更紧固连接。
本发明的上述光衰减装置可用于日盲紫外光探测器的灵敏度检测，整个检测装置和检测过程均需在暗室条件下完成，以去除环境杂散光，提高检测的信噪比，保护探测器的使用安全。检测装置包括光源1、用于遮盖所述光源1以防止杂散光进入的灯室、滤光片2、进光孔、出光孔9、4个级联的积分球、电子可变光阑8、光功率计3。从光源1发出的光通过滤光片2进入进光孔和积分球中，经由4个级联的积分球依次衰减后，从最后一个积分球的出光孔中出射。该装置的工作波段为日盲紫外波段：240～280nm，所采用的滤光片2为240～280nm波段带通滤光片，用于滤除其他波段的杂散光干扰。所采用的光源1为高稳定性的紫外氘灯。
由于目前市面上可获得的电流型光功率计的最低探测精度为pW(10-12W)量级，因此，将第一积分球4和第二积分球5级联组成一级光衰减器，控制第二积分球5内壁上的光功率在pW量级，安装在第一积分球4和第二积分球5上的光功率计3选用电流型光功率计。第三积分球6和第四积分球7级联组成二级光衰减器，安装在第三积分球6和第四积分球7上的光功率计3选用光子计数型光功率计，可在第四积分球7的出光孔9得到辐射出射度控制在10-17-10-19W/cm2的出射光，第四积分球7的出光孔≥50mm。具体的工作参数如下表所示：
表1灵敏度检测的工作参数

Claims (6)

1.一种连续可调光强的光衰减装置，该装置包括光源及积分球，积分球上设有进光孔和出光孔，其特征在于，该装置的工作波段为日盲紫外波段：240～280nm，积分球采用四个，各个积分球之间顺序级联，即前一个积分球的出光孔连接后一个积分球的进光孔，顺序级联的两个积分球连接部位均装有电子可变光阑，用来调节进入积分球和从积分球出射的光辐射通量；各个积分球上还设有用于探测积分球内壁上的辐照度的光功率计，其中，第一个积分球和第二个积分球上的光功率计采用电流型光功率计，第三个积分球和第四个积分球上的光功率计采用光子计数型光功率计；各个积分球之间通过连接装置连接，所述连接装置包括两个内外放置的连接圈，在外连接圈的内侧以及内连接圈的外侧分别对应设有凹槽，凹槽内设有弹簧和钢珠，其中弹簧设置在内连接圈的凹槽内，钢珠设在弹簧的顶部，在弹簧力的作用下钢珠固定在外连接圈的凹槽内，从而使得两个连接圈连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种连续可调光强的光衰减装置，其特征在于，在光源入射的第一个积分球进光孔上安装有滤光片，用来滤除杂散光。
3.根据权利要求1或2所述的一种连续可调光强的光衰减装置，其特征在于，所述电子可变光阑包括通光孔、挡板和电机，电机带动挡板左右移动。
4.根据权利要求1或2所述的一种连续可调光强的光衰减装置，其特征在于，所述电子可变光阑包括多个叶片、光阑调整环、齿轮和电机，多个叶片组成旋转环形并且环形的外缘由光阑调整环固定，光阑调整环与齿轮连接，齿轮由电机控制转动。
5.根据权利要求1或2所述的一种连续可调光强的光衰减装置，其特征在于，所述连接装置中，与电子可变光阑相连的连接圈上设有限位台。
6.根据权利要求1或2所述的一种连续可调光强的光衰减装置，其特征在于，所述电子可变光阑和相连的连接圈的周向上分别设置有螺纹，两者通过螺纹实现紧固连接。
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