CN105628197A - 一种照度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种照度计，主要是利用光子计数技术，采用硅光电倍增管作为光电探测器，结合中性密度衰减片组对光的衰减来实现其宽照度量测范围。本发明不仅可以对微弱光照度进行测量，而且可以方便地应用于普通光照度测量领域。基于硅光电倍增管工作电压低、结构紧凑、可靠性高、探测效率高、灵敏度高、对磁场不敏感等诸多优势，本发明还具有体积小、易携带、可靠性高、灵敏度高、响应时间快等优点，在光照度测量领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学测试与计量技术领域，主要涉及一种光照度测量仪器，特别涉及一种基于光子计数技术的光照度计。
背景技术
光度测量在材料辐射度检测、灯具光通量测量、照明安全保障等与人们生活息息相关的领域有着广泛的应用。光照度计作为光度测量仪的一种，由于其测量原理简单而成为目前最流行的光度测量形式。光照度计广泛应用于科研、生产、军工、电子、轻纺、影视、建筑、交通以及医疗保健和卫生防疫等专业领域。当前，测量光照度主要有两种技术方法，一种是光电流法，一种是光子计数法。
光电流法是比较常见的测量光照度的方法，利用光电池(包括硒光电池和硅光电池)或光电二极管为光电探测器研制的照度计使用的就是这种方法。对光电池而言，利用其光生伏特效应，在光照条件下，光电池回路中会产生光电流，且光电流在一定条件下与所受光通量成正比，即入射光越强,光电流越大。对光电二极管而言，在其反向工作条件下，入射光子产生的光生电子-空穴对会在反向电压下进行定向漂移，从而产生比暗电流大的多的反向电流。此电流的大小在一定条件下也与光强成正比，即光强越大，光电二极管反向电流也越大。测量出光电流的大小，便可根据对应关系得出照射光的光照度大小。基于光电流法的光照度计，具有电流线性度好、成本低、体积小、重量轻、寿命长及无需高电压等优点，但灵敏度较低，响应时间也较慢。特别是在进行微弱光测量时，由于该类照度计测量系统本身的噪声限制，往往不能对较弱光的光照度进行精确测量，这限制了该类照度计的应用范围。
光子计数法是一种可对微弱光进行有效测量的方法，它可以大大扩展照度测量的下限范围(曹根瑞，以光子计数技术为基础的极低照度测量，光学技术，No.5，1993)。该方法是利用可以进行光子计数的探测器测量出照射光的光子速率，并通过光子速率与光照度之间的对应关系，进而获得照射光的光照度。目前，在照度计中使用的进行光子计数的光电探测器是光电倍增管(PhotomultiplierTube，以下简称PMT)，它具有较高的内部增益(～106)，较快的时间响应，且具有单光子分辨能力。但是PMT探测效率低、体积大、易碎、工作电压高(千伏级别)、价格高、工作条件苛刻，这导致基于PMT的照度计电源系统复杂、体积庞大，且灵敏度低、成本昂贵、不便于携带。此外，利用PMT制成的照度计仅适用于微弱光照度测量，这限制了其只能在特定的场合进行应用。现阶段，一种基于半导体技术的新型光子计数探测器——硅光电倍增管(SiliconPhotomultiplier，以下简称SiPM)正快速发展。SiPM除了具有PMT的优点外，还因其工作电压低(几十伏)、结构紧凑、可靠性高、探测效率高、灵敏度高、对磁场不敏感等优点而迅速发展成为可替代传统PMT的新型光子计数探测器。相比于PMT，SiPM在光照度测量应用中具有更大的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光子计数技术的新型照度计，该照度计具有应用领域广泛、照度测量范围宽、体积小、易携带、可靠性高、灵敏度高等特点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种照度计，包括基于硅光电倍增管的光学探头、光子计数系统、数据处理系统、显示系统和电源系统；其特征在于，
所述基于硅光电倍增管的光学探头由余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管及光学探头壳体构成；所述余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管依次置于光学探头壳体中；所述光学探头壳体上设有通光孔，所述通光孔的中心与余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管的光敏面的中心均位于同一轴线上；所述通光孔与所述余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片一起构成照度计的光路系统；在进行光照度测量时，待测光源发出的光经所述光路系统后照射在硅光电倍增管的光敏面上，并充满硅光电倍增管的整个光敏面区域；
所述中性密度衰减片组包含至少一片中性密度衰减片，所述中性密度衰减片对不同波长的可见光均按同一衰减系数衰减；
所述硅光电倍增管位于光学探头壳体中远离通光孔的一侧，其输出端通过通信引线引出光学探头壳体；
所述光子计数系统经所述通信引线与硅光电倍增管输出端连接，以用于在测量时间内的各采样周期中对入射到硅光电倍增管光敏面上的光子数目进行计数；
所述数据处理系统与所述光子计数系统通信连接，以用于将光子计数系统在单个采样周期中所统计的光子数目与相应测量的光源的光照度值进行换算；
所述显示系统与所述数据处理系统通信连接，以用于将数据处理系统获得的光照度数值进行显示；
所述电源系统分别与所述硅光电倍增管、光子计数系统、数据处理系统、显示系统通信连接，以用于为硅光电倍增管、光子计数系统、数据处理系统、显示系统提供供电。
进一步的，所述基于硅光电倍增管的光学探头还包括一单色光滤光片，所述单色光滤光片位于照度计的光路系统中。含有单色光滤光片的照度计，可以方便地应用在单色光照度测量领域。
进一步的，所述基于硅光电倍增管的光学探头还包括一制冷系统，所述制冷系统位于光学探头壳体中，用于为硅光电倍增管进行制冷；所述电源系统与所述制冷系统通信连接，以用于为制冷系统提供供电。包含有制冷系统的照度计，可以使硅光电倍增管具有极低的噪声，从而可以大幅提高本发明所提供的照度计在照度测量时的精度。
从上述技术方案可以看出，本发明采用了硅光电倍增管作为光电探测器件，硅光电倍增管与光电池、光电二极管及光电倍增管等光电探测器相比具有高内部增益、高探测灵敏度、低工作电压、低功耗、低成本、便于批量生产等诸多优势，再加之所利用的中性密度衰减片组可以对不同波长的可见光均按同一特定的衰减系数衰减，故在利用本发明进行照度测量时，除了具有使用方便、可靠性高、灵敏度高等优点之外，还可以对不同强度光源的光照度进行测量，这大大拓展了照度计的量测范围，使其具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明公开的照度计的系统构成示意图。
图2是本发明公开的照度计的光路示意图。
图3是本发明公开的单色光照度计的系统构成示意图。
图4是本发明公开的带有制冷系统的照度计的系统构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详述。
本发明的技术方案，主要是利用光子计数技术，并采用硅光电倍增管和中性密度衰减片组来实现一种照度量测范围宽的照度计。基于硅光电倍增管的优点，本发明具有体积小、易携带、可靠性高、灵敏度高、量测范围宽等优点。
实施例1
如图1所示，本发明所公开的照度计包括基于硅光电倍增管的光学探头1、光子计数系统2、数据处理系统3、显示系统4和电源系统5。其中基于硅光电倍增管的光学探头1由余弦校正片1-2、中性密度衰减片组1-3、V(λ)视觉函数校正片1-4、硅光电倍增管1-1及光学探头壳体1-5构成。余弦校正片1-2、中性密度衰减片组1-3、V(λ)视觉函数校正片1-4、硅光电倍增管1-1分别依次置于光学探头壳体1-5中。在光学探头壳体1-5上设有通光孔1-6，该通光孔1-6的中心与余弦校正片1-2、中性密度衰减片组1-3、V(λ)视觉函数校正片1-4、硅光电倍增管1-1的光敏面的中心均位于同一轴线上。由通光孔1-6与余弦校正片1-2、中性密度衰减片组1-3、V(λ)视觉函数校正片1-4一起构成的系统称之为照度计的光路系统。在进行光照度测量时，待测光源发出的光经该光路系统后照射在硅光电倍增管1-1的光敏面上，并充满硅光电倍增管1-1的整个光敏面区域。
如图2所示为本发明所公开的照度计的光路示意图。通光孔1-6为光路系统的光入射窗口，待测光源6发出的光线首先经过通光孔1-6，然后入射到余弦校正片1-2上。余弦校正片1-2是用来消除入射光在大角度入射时探测器响应不符合余弦特性而产生的误差的。透过余弦校正片1-2的光线随后会入射到中性密度衰减片组1-3上。中性密度衰减片组1-3由至少一片中性密度衰减片组成，由于中性密度衰减片可以对不同波长的可见光均按同一特定衰减系数衰减，故可用中性密度衰减片组1-3来对强度较大的入射光进行衰减，从而保证入射到硅光电倍增管1-1的光敏面上的光所产生的响应在硅光电倍增管1-1的线性响应范围内。当入射光光强较大时，可采用多个中性密度衰减片进行较大幅度的衰减；同样，当入射光光强较小时，可以减少中性密度衰减片的个数，这样便可对较大光强范围内的光进行照度测量。在光线透过中性密度衰减片组1-3后，会入射到V(λ)视觉函数校正片1-4上。由于照度与人眼的光谱光视效率相关，因此照度计中光电探测器的相对灵敏度必须与人眼的光谱光视效率一致。通常而言，光电探测器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相差甚远，所以照度计中的光电探测器需要加以修正，以使其相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相匹配。V(λ)视觉函数校正片1-4就是用来修正硅光电倍增管1-1的相对光谱灵敏度的。待测光源6发出的光通过光路系统后，会直接投射到硅光电倍增管1-1的光敏面上，并铺满整个光敏面区域。
硅光电倍增管1-1位于光学探头壳体1-5中远离通光孔1-6的一侧，其输出端通过通信引线引出光学探头壳体1-5。光子计数系统2经前述通信引线与硅光电倍增管1-1的输出端相连接，以用于在测量时间内的各采样周期中对入射到硅光电倍增管光敏面上的光子数目进行计数。由于硅光电倍增管1-1的输出为电脉冲信号，而电脉冲信号反映的是入射到光电倍增管1-1光敏面上的光子数目，故通过光子计数系统2的处理，便可将光电倍增管1-1输出的电脉冲信号转化为对应的光子数目，从而得到各采样周期中的光子数目信息，即获得了光子速率。
数据处理系统3与光子计数系统2通信连接，以用于将光子计数系统在单个采样周期中所统计的光子数目与相应测量的光源的光照度值进行换算，即根据光子速率与光照度之间的对应关系，得出待测光源的照度值。显示系统4与数据处理系统3通信连接，以用于将数据处理系统3获得的光照度数值进行显示。
电源系统5分别与所述硅光电倍增管1-1、光子计数系统2、数据处理系统3、显示系统4通信连接，以用于为硅光电倍增管1-1、光子计数系统2、数据处理系统3、显示系统4提供供电。由于光电倍增管1-1的工作电压通常低于100V，且光子计数系统2、数据处理系统3、显示系统4的供电系统都较简单，故本发明不需要庞大、昂贵的电源系统，这可大大提高基于光子计数技术的照度计的便携性。上述照度计可以方便地对多色光光源的照度进行测量。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例在基于硅光电倍增管的光学探头1中还包括一单色光滤光片1-7，该单色光滤光片1-7位于照度计的光路系统中。本实施例的光路为：待测光源6发出的光线经光通孔1-6后，投射到余弦校正片1-2上，随后透过余弦校正片1-2投射到中性密度衰减片组1-3上，然后透过中性密度衰减片组1-3投射到单色光滤光片1-7上，随后透过单色光滤光片1-7上入射到V(λ)视觉函数校正片1-4上，透过V(λ)视觉函数校正片1-4的光线最后投射到硅光电倍增管1-1上，并充满整个硅光电倍增管1-1的光敏面区域。含有单色光滤光片1-7的照度计，可以方便地应用在单色光照度测量领域。
实施例3
如图4所示为本发明公开的带有制冷系统的照度计的系统构成示意图。与实施例1相比，本实施例在基于硅光电倍增管的光学探头1中还包括一制冷系统1-8，该制冷系统1-8位于光学探头壳体1-5中，以用于为硅光电倍增管1-1进行制冷；电源系统5与制冷系统1-8通信连接，以用于为制冷系统1-8提供供电。包含有制冷系统1-8的照度计，可以使硅光电倍增管1-1具有极低的噪声，从而可以大幅提高本发明所提供的照度计在照度测量时的精度。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本发明而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种照度计，包括基于硅光电倍增管的光学探头、光子计数系统、数据处理系统、显示系统和电源系统；其特征在于，
所述基于硅光电倍增管的光学探头由余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管及光学探头壳体构成；所述余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管依次置于光学探头壳体中；所述光学探头壳体上设有通光孔，所述通光孔的中心与余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片、硅光电倍增管的光敏面的中心均位于同一轴线上；所述通光孔与所述余弦校正片、中性密度衰减片组、V(λ)视觉函数校正片一起构成照度计的光路系统；在进行光照度测量时，待测光源发出的光经所述光路系统后照射在硅光电倍增管的光敏面上，并充满硅光电倍增管的整个光敏面区域；
所述中性密度衰减片组包含至少一片中性密度衰减片，所述中性密度衰减片对不同波长的可见光均按同一衰减系数衰减；
所述硅光电倍增管位于光学探头壳体中远离通光孔的一侧，其输出端通过通信引线引出光学探头壳体；
所述光子计数系统经所述通信引线与硅光电倍增管输出端连接，以用于在测量时间内的各采样周期中对入射到硅光电倍增管光敏面上的光子数目进行计数；
所述数据处理系统与所述光子计数系统通信连接，以用于将光子计数系统在单个采样周期中所统计的光子数目与相应测量的光源的光照度值进行换算；
所述显示系统与所述数据处理系统通信连接，以用于将数据处理系统获得的光照度数值进行显示；
所述电源系统分别与所述硅光电倍增管、光子计数系统、数据处理系统、显示系统通信连接，以用于为硅光电倍增管、光子计数系统、数据处理系统、显示系统提供供电。
2.根据权利要求1所述的照度计，其特征在于，所述基于硅光电倍增管的光学探头还包括一单色光滤光片，所述单色光滤光片位于照度计的光路系统中。
3.根据权利要求1或2所述的照度计，其特征在于，还包括一制冷系统，所述制冷系统位于光学探头壳体中，以用于为硅光电倍增管进行制冷；所述电源系统与所述制冷系统通信连接，以用于为制冷系统提供供电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160601 |