CN105954209A - 一种光源近场空间分布多路测试系统 - Google Patents

Abstract

一种光源近场空间分布多路测试系统，涉及光源分布测试系统。设有样品控温夹具、光谱采集装置、旋转装置、电流源、计算机；光谱采集装置设有十六路光纤、余弦收集器、十六路光复用器、CCD光谱仪和十六路光纤固定夹具；旋转装置设有电动旋转台和旋转台控制器；样品控温夹具设在电动旋转台上，样品控温夹具与电流源连接，余弦收集器用于光谱辐射的取样，收集180°立体角内的光；十六路光纤套在余弦收集器上并作为入光口，余弦收集器固定在十六路光纤固定夹具上；旋转装置用于控制十六路光纤的转动，电动旋转台由计算机设定每次旋转角度、旋转速度、旋转总角度和旋转方向，电动旋转台带动十六路光纤旋转。

Description

一种光源近场空间分布多路测试系统

技术领域

本发明涉及光源分布测试系统，尤其是涉及一种光源近场空间分布多路测试系统。

技术背景

光强空间分布是指从光源发出的光在空间上的分布特性,是灯具相关光学设计研究的基础和重要内容之一。灯具的分布光度性能是影响照明质量的关键因素。采用科学的测试方法、选择合适的仪器是获得准确的灯具分布光度特性的基础。分布光度计是测量光源和灯具空间发光强度分布的光度测量设备。主要有两种用途：1)测量光源在空间4π立体角范围内，每一方向上的光强，根据采样立体角进行区域光通量的计算，从而得到光源的总光通量。因此，分布光度计是实现从发光强度基准过渡到总光通量基准的重要手段。2)测量灯具在空间各方向上的三维光强分布，测量的数据应用于照明工程，根据灯具的安装方式，空间结构等实际条件，计算工作面上的照度分布以及其它相应的光学参数。

目前，常用的分布光度计结构有旋转反光镜式分布光度计、运动反光镜式分布光度计和旋转灯具式分布光度计等几种。中心旋转反光镜式测量需要被测光源在一个相当大的空间范围内作类圆周运动，同时反射镜和辅助轴必须与主轴以相同的角速度反向同步转动，这种测量方式对被测光源的发光稳定性及系统各轴同步转动要求极高；运动反光镜式测量方法无需被测光源在空间作大范围的运动，但被测光源反射到探测器上的光束在测量过程中方向会随时变化，若探测器在各个方向上的灵敏度不一致，将会造成光度测量结果存在较大误差；旋转扫描测量，最常见的测量方法是采用一个光度探测器，可选择光源不动，光度探测器围绕它旋转扫描，也可旋转光度探测器不动，光源围绕一个固定中心点旋转。这种旋转扫描的测量方法测试时间冗长，实时性差，在测量时间内样品的温度可能会发生变化，引起光强波动导致测量过程的前期和后期光强数据不一致，造成较大的测量误差[参见中国专利CN104977155A]。

现有的分布光度计体积庞大，对空间要求过高。在光学设计中，传统方法多以光源的远场测试数据为设计依据，而远场测试仅仅是对光源相对粗糙的测量，并不能精确地描述光源的空间光分布情况。近场模型则将光源看作1个复杂的面光源，来研究其实际发光情况。特别是通过对光源进行近场测试，可以获得包含光线数量、光线起点、光线角度范围、各光线所携带的能量、色度坐标和总光通量等详细信息的光线集文件。光源近场测量获取的光源光线集可以为光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。

传统光源近场空间分布测试往往仅有一个探头，需要依靠三维转动机构进行空间光强探测，测试时间冗长，实时性差。另一方面，传统测试方法通常是转动机构带着样品或灯具旋转，容易由于灯具重量过大或转动机构精度不足引起定位不准、接触不良等问题，降低了测试的可靠性和稳定性。因此，快速获取光强空间分布特性，同时提高光强检测精度和效率是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的光源近场空间分布测试时间长、测试装置复杂、测试时效性差等问题，提供一种光源近场空间分布多路测试系统。

本发明设有样品控温夹具、光谱采集装置、旋转装置、电流源、计算机；所述光谱采集装置设有十六路光纤、余弦收集器、十六路光复用器、CCD光谱仪和十六路光纤固定夹具；所述旋转装置设有电动旋转台和旋转台控制器；

所述样品控温夹具设在电动旋转台上，样品控温夹具与电流源连接，余弦收集器用于光谱辐射的取样，收集180°立体角内的光；十六路光纤套在余弦收集器上并作为入光口，余弦收集器固定在十六路光纤固定夹具上；所述旋转装置用于控制十六路光纤的转动，电动旋转台由计算机设定每次旋转角度、旋转速度、旋转总角度和旋转方向，电动旋转台带动十六路光纤旋转，还可以进行复位操作，使十六路光纤回到开始的位置。

所述十六路光纤固定夹具可包括十六个采样套筒、圆环和圆环固定支架；采样套筒的上部是光纤支架，避免光纤过分弯曲；采样套筒的下部是光纤-余弦收集器固定支架，分为两层圆管，分别固定余弦校正器和光纤，并在下方设置挡光板,使余弦收集器的受光面与入射光线方向垂直，采样套筒底部是两边开口的长方体。圆环是两个夹角为200度的上半圆弧组成，与采样套筒底部的长方体配合，固定采样套筒。圆环固定支架上方开有和采样套筒一样的弧形夹角，并在两侧开孔，用于固定圆环在旋转台上。光复用器是通过电机转动切换光通道的装置，16个入光口通过计算机控制，选择其中1个通道与输出口相连实现光输出。16个通道的光通过16条光纤分别传输到光复用器中，十六路光复用器轮流切换输出的光通道，并通过光纤将输出光从出光口传输到CCD光谱仪中，光谱仪将光通过光栅进行分光，并通过CCD采集光信号。

所述计算机包括控制部分和数据处理部分，所述控制部分包括光谱仪采集控制、旋转台控制和光复用器通道切换控制，计算机控制旋转台旋转，计算机控制光复用器选择通道，通过光谱仪进行光谱采集，对十六路的光谱逐一采集；所述数据处理部分包括参数计算、光强分布外推，所述参数计算包括光学和色度学参数计算，通过将光谱仪采集到的光谱进行光色参数计算，如辐照度、光照度、色坐标、色温、显色指数、峰值波长、主波长等。并直接画出光源近场二维分布和三维空间分布。

其中光功率和光通量的计算方法如下：

将每个探头旋转一周测量得到的光照度和乘以当前探头所在球带按旋转次数n平分的子面积就可以得到每个探头探测球带的光通量，光功率则是用辐照度乘以面积累加所得。设一周360°旋转n次，探头间隔α。(下列各式中i＝1,2,…16)

第i个探头所在球带的面积：

$\begin{array}{c}{S}_i=\underset{(i-1)\mathrm{\α}}{\overset{i\mathrm{\α}}{\∫}}2\mathrm{\π}r\sin \mathrm{\θ}*rd\mathrm{\θ}\\ =2{\mathrm{\πr}}^2*\left(\cos \right(\left(i-1\right)\mathrm{\α})-\cos (i\mathrm{\α}\left)\right)\end{array}$

其中，α为探头间隔角度。

对于第i个探头其光通量：

其中E_i1,…E_in为第i个探头旋转n次的所测得的各个光照度，α为探头间隔角度。

所以，总光通量

同理，对于光功率计算只需将测量到的光照度换成辐照度即可。

外推远场光强分布主要用到蒙特卡洛光线追踪方法。把当前测量的数据点当成半球形分布的面光源。用(x，y，z)表示光线出射点的坐标，(l，m，n)表示光线在直角坐标系中的方向，Q表示光线携带的光通量。把测到的数据点以及光通量代入后，只需要对光线方向进行蒙特卡洛模拟。对于面光源,光线方向只是在半个球体范围内,即表面上发光点的出射光线的方向范围是2π立体角内,所以：

取(0,1)上均匀分布的(伪)随机数r₁,r₂,则:

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\φ}=2{\mathrm{\πr}}_1\\ \mathrm{\θ}=\arccos (1-r_2)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，θ，φ表示光线在球坐标系中的与x轴，z轴的夹角。

单位球面上均匀分布的随机点的一次抽样,对应于随机抽样光线的方向:

$\left\{\begin{array}{c}l=sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}\\ m=sin\mathrm{\θ}sin\mathrm{\φ}\\ n=\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，l，m，n表示光线在直角坐标系中的方向的三个坐标值。

与传统的传统光源近场空间分布测量系统比较，本发明具有以下优点：

1.不用旋转测试样品，减少由于灯具过大或者转动机构精度不足引起定位不足，接触不良等问题，增加了测试的可靠性和稳定性；

2.旋转一次就可以得到三维空间分布，快速获取光源近场空间分布特性，减少测量时间，避免因时间过长造成数据测量不精准；

3.能很好地和光纤-余弦校正器配合，方便测试样品多种参数；

4.探头可以根据不同光源的发射角随时改变分布；

5.运用蒙特卡洛方法外推远场光强空间分布。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例测量到的光源近场二维分布图。

图3为本发明实施例测量到的光源近场三维分布图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有样品控温夹具1、光谱采集装置、旋转装置、电流源9、计算机10；所述光谱采集装置设有十六路光纤4、余弦收集器2、十六路光复用器5、CCD光谱仪6和十六路光纤固定夹具3；所述旋转装置设有电动旋转台7和旋转台控制器8。所述样品控温夹具1设在电动旋转台7上，样品控温夹具1与电流源9连接，余弦收集器2用于光谱辐射的取样，收集180°立体角内的光；十六路光纤4套在余弦收集器2上并作为入光口，余弦收集器2固定在十六路光纤固定夹具3上；所述旋转装置用于控制十六路光纤4的转动，电动旋转台7由计算机10设定每次旋转角度、旋转速度、旋转总角度和旋转方向，电动旋转台7带动十六路光纤4旋转，还可以进行复位操作，使十六路光纤4回到开始的位置。

所述十六路光纤固定夹具3可包括十六个采样套筒、圆环和圆环固定支架；采样套筒的上部是光纤支架，避免光纤过分弯曲；采样套筒的下部是光纤-余弦收集器固定支架，分为两层圆管，分别固定余弦校正器和光纤，并在下方设置挡光板,使余弦收集器的受光面与入射光线方向垂直，采样套筒底部是两边开口的长方体。圆环是两个夹角为200度的上半圆弧组成，与采样套筒底部的长方体配合，固定采样套筒。圆环固定支架上方开有和采样套筒一样的弧形夹角，并在两侧开孔，用于固定圆环在旋转台上。光复用器是通过电机转动切换光通道的装置，16个入光口通过计算机控制，选择其中1个通道与输出口相连实现光输出。16个通道的光通过16条光纤分别传输到光复用器中，十六路光复用器轮流切换输出的光通道，并通过光纤将输出光从出光口传输到CCD光谱仪中，光谱仪将光通过光栅进行分光，并通过CCD采集光信号。

所述计算机包括控制部分和数据处理部分，所述控制部分包括光谱仪采集控制、旋转台控制和光复用器通道切换控制，计算机控制旋转台旋转，计算机控制光复用器选择通道，通过光谱仪进行光谱采集，对十六路的光谱逐一采集；所述数据处理部分包括参数计算、光强分布外推，所述参数计算包括光学和色度学参数计算，通过将光谱仪采集到的光谱进行光色参数计算，如辐照度、光照度、色坐标、色温、显色指数、峰值波长、主波长等。并直接画出光源近场二维分布和三维空间分布。

以下给出本发明实施例的使用方法：

1)选取样品固定在夹具上，并按照图1连接各仪器；

2)测试阶段：设置好每次旋转角度、旋转速度、旋转总角度和旋转方向；初始化光谱仪，进行暗电流校准；开始测试，旋转设定的单个角度，十六路探头依次采集光谱，画出当前位置的二维分布；继续旋转，直至旋转完360度，画出照度三维分布。

3)分析阶段：进行光通量和光功率的计算；使用蒙特卡洛算法将光源近场空间分布外推到无穷远处。

本发明实施例测量到的光源近场二维分布图参见图2，本发明实施例测量到的光源近场三维分布图参见图3。

Claims (4)

1.一种光源近场空间分布多路测试系统，其特征在于设有样品控温夹具、光谱采集装置、旋转装置、电流源、计算机；所述光谱采集装置设有十六路光纤、余弦收集器、十六路光复用器、CCD光谱仪和十六路光纤固定夹具；所述旋转装置设有电动旋转台和旋转台控制器；

所述样品控温夹具设在电动旋转台上，样品控温夹具与电流源连接，余弦收集器用于光谱辐射的取样，收集180°立体角内的光；十六路光纤套在余弦收集器上并作为入光口，余弦收集器固定在十六路光纤固定夹具上；所述旋转装置用于控制十六路光纤的转动，电动旋转台由计算机设定每次旋转角度、旋转速度、旋转总角度和旋转方向，电动旋转台带动十六路光纤旋转。

2.如权利要求1所述一种光源近场空间分布多路测试系统，其特征在于所述十六路光纤固定夹具包括十六个采样套筒、圆环和圆环固定支架；采样套筒的上部是光纤支架，避免光纤过分弯曲；采样套筒的下部是光纤-余弦收集器固定支架，分为两层圆管，分别固定余弦校正器和光纤，并在下方设置挡光板,使余弦收集器的受光面与入射光线方向垂直，采样套筒底部是两边开口的长方体；圆环是两个夹角为200度的上半圆弧组成，与采样套筒底部的长方体配合，固定采样套筒；圆环固定支架上方开有和采样套筒一样的弧形夹角，并在两侧开孔，用于固定圆环在旋转台上。

3.如权利要求1所述一种光源近场空间分布多路测试系统，其特征在于十六路光复用器通过电机转动切换光通道，16个入光口通过计算机控制，选择其中1个通道与输出口相连实现光输出；16个通道的光通过16条光纤分别传输到十六路光复用器中，十六路光复用器轮流切换输出的光通道，并通过光纤将输出光从出光口传输到CCD光谱仪中，CCD光谱仪将光通过光栅进行分光，并通过CCD采集光信号。

4.如权利要求1所述一种光源近场空间分布多路测试系统，其特征在于所述计算机包括控制部分和数据处理部分，所述控制部分包括光谱仪采集控制、旋转台控制和光复用器通道切换控制，计算机控制旋转台旋转，计算机控制光复用器选择通道，通过光谱仪进行光谱采集，对十六路的光谱逐一采集；所述数据处理部分包括参数计算、光强分布外推，所述参数计算包括光学和色度学参数计算，通过将光谱仪采集到的光谱进行光色参数计算，并直接画出光源近场二维分布和三维空间分布。