CN106052863B - 一种光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源系统，该光源系统包括：积分球，积分球包括：相对设置的固定半球以及可转动半球；固定半球固定在预设位置，固定半球具有入光口以及出光口；转动装置，转动装置与可转动球连接，用于带动可转动半球绕预设轴线转动；激光器，激光器用于通过入光口向积分球内射入激光；设置在出光口的平行光管；其中，轴线通过积分球的球心，且垂直于固定半球与可转动半球之间的圆形接触面。所述光源系统采用激光作为积分球的入射光源时，通过转动可转动半球，能够减弱或是消除入射激光在固定位置发生干涉的问题，进而减弱或是消除激光在出光口发生激光散斑的问题，提高出射激光的均匀性。

Description

一种光源系统

技术领域

本发明涉及光源装置技术领域，更具体的说，涉及一种光源系统。

背景技术

积分球是一种内部涂有漫反射材料的空腔球体，球体上开有2个或2个以上的窗孔，用作进光孔和出光孔，光源发出的光从进光孔入射，经过积分球内壁漫反射材料的多次反射，在出光口获得近似均匀的光出射度。积分球是辐射度、色度、光度测量中必不可少的设备，由于积分球出光口近似朗伯体的光源性质，在光学测试实验室中，是最为常见的和不可替代的均匀光源设备。其中，光谱仪是以光探测器测量谱线不同波长位置能量强度的装置，一般包括：汇聚镜头、狭缝、色散系统、成像镜头以及光探测器。

近年来，由于激光具有极好的单色性和极高的能量密度，采用激光入射积分球作为均匀光源在诸多领域被广泛应用，特别是在光谱仪检定领域获得越来越多的应用。

但是，由于激光的高度相干性，入射到积分球后，在出光孔会形成空间强度随机分布的激光散斑，激光散斑很大程度上增加了积分球出光口的出射光的出射度不均匀性，与积分球的实现均匀光源的应用目背道而驰，因此限制的积分球激光光源的应用范围。

参考图1，图1为一种光源系统的结构示意图，该光源系统中，激光器11为积分球12提供激光作为入射光，激光在积分球12内经过反射后由出光口121出射，经过平行光管13后，被光谱仪14采集。快视设备15采集光谱仪14中光探测器输出的数字量化信号。图1所示光源系统还包括：遥测与程控设备16、电控箱与热控箱17以及电源18。

参考图2，图2为图1所述光源系统中快视设备输出的光谱仪探测能量强度的分布图，由于积分球12存在激光散斑效应，光谱仪14采集的光能量存在较大波动，采集到的数字量化信号离散性很大，无法形成稳定测量结果，积分球12的出射光的均匀性较差。

通过上述描述可知，当积分球采用激光作为光源时，如何提高积分球的出射光的均匀性是亟待解决的一个问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种光源系统，该光源系统可以在积分球采用激光作为光源时，使得积分球的出射光具有较好的均匀性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光源系统，该光源系统包括：

积分球，所述积分球包括：相对设置的固定半球以及可转动半球；所述固定半球固定在预设位置，所述固定半球具有入光口以及出光口；

转动装置，所述转动装置与所述可转动球连接，用于带动所述可转动半球绕预设轴线转动；

激光器，所述激光器用于通过所述入光口向所述积分球内射入激光；

设置在所述出光口的平行光管；

其中，所述轴线通过所述积分球的球心，且垂直于所述固定半球与所述可转动半球之间的圆形接触面。

优选的，在上述光源系统中，所述转动装置包括：

电机，所述电机用于与所述可转动半球连接，用于带动所述可转动半球绕预设轴线转动；

固定支架，所述固定支架一端用于固定所述固定半球，另一端用于固定所述电机。

优选的，在上述光源系统中，所述电机通过联轴器与所述可转动半球连接。

优选的，在上述光源系统中，所述电机与所述可转动半球之间还设置有弹簧，所述弹簧用于为所述可转动半球提供朝向所述固定半球的压力。

优选的，在上述光源系统中，所述出光口位于所述轴线上。

优选的，在上述光源系统中，所述固定半球以及所述可转动半球的开口表面均设置有聚四氟乙烯涂层。

优选的，在上述光源系统中，所述固定半球的开口处设置有止口结构；

其中，所述止口结构为固定在所述固定半球的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球以及所述固定半球之间的接口。

优选的，在上述光源系统中，所述可转动半球的开口处设置有止口结构；

其中，所述止口结构为固定在所述可转动半球的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球以及所述固定半球之间的接口。

优选的，在上述光源系统中，所述可转动半球与所述固定半球通过压力轴承连接。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的光源系统包括：积分球，所述积分球包括：相对设置的固定半球以及可转动半球；所述固定半球固定在预设位置，所述固定半球具有入光口以及出光口；转动装置，所述转动装置与所述可转动球连接，用于带动所述可转动半球绕预设轴线转动；激光器，所述激光器用于通过所述入光口向所述积分球内射入激光；设置在所述出光口的平行光管；其中，所述轴线通过所述积分球的球心，且垂直于所述固定半球与所述可转动半球之间的圆形接触面。所述光源系统中，将积分球分为固定半球以及可转动半球两部分，可以通过转动装置转动所述可转动半球两部分，这样，当采用激光作为积分球的入射光源时，通过转动所述可转动半球，能够减弱或是消除入射激光在固定位置发生干涉的问题，进而减弱或是消除激光在出光口发生激光散斑的问题，提高出射激光的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种光源系统的结构示意图；

图2为图1所述光源系统中快视设备输出的光谱仪探测能量强度的分布图；

图3为另一种光源系统的结构示意图；

图4为又一种光源系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种光源系统的结构示意图；

图6为图5所示光源系统的局部放大图；

图7为图5所示光源系统中快视设备输出的光谱仪探测能量强度的分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

积分球也称光度球或是光通球，是一个内壁涂有漫反射材料的空腔球体，实际产品一般分为两个半球部分进行组装，内壁的漫反射材料一般有聚四氟乙烯或硫酸钡等材料制备的反射涂层，所述反射涂层的反射比接近于1，反射涂层表面相对入射光的波长粗糙，使入射光在内壁上经过多次反射后，在出光口形成空间上光出射度匀化效果。

积分球如果采用激光作为入射光，会导致激光散斑的问题。激光散斑问题形成的根本上是由于相干性极好的激光入射到积分球内壁的相对粗糙表面后，经过所述表面反射后在出光口形成空间上的激光相干叠加造成的。

其中，光相干性是指光场空间中，任意两点光振动间的相互关联程度，当光波振动频率相同，位相差恒定时产生显著干涉现象，称为完全相干。激光散斑指高相干性激光照在粗糙表面反射形成的空间闪烁斑点图样。光出射度指光源每单位面积向半球空间内所发出的光通量。

在如图1所示针对光谱仪的光谱标定和装调过程中，采用积分球12置于平行光管13的焦面处提供照明，由于光谱仪14需要采用单色光(即单一波长)入射进行测试，则应用激光器11发射的激光作为光源入射积分球成为首选方案。然而由于存在激光散斑效应，导致入射光谱仪14的入射光存在空间上能量随机波动的问题，噪声幅度严重时使测试无法得到稳定结果，具体的，如图2所示测试结果，由于积分球12存在激光散斑效应，光谱仪14采集的光能量存在较大波动，采集到的数字量化信号离散性很大，无法形成稳定测量结果，积分球12的出射光的均匀性较差。

为了消除积分球采用激光作为光源时存在的激光散斑效应，可以采用如图3或是图4所示的光源系统。

参考图3，图3为另一种光源系统的结构示意图，图3在图1所示实施方式上增加了毛玻璃21以及旋转电机22，毛玻璃21与旋转电机22通过转轴23连接。

在积分球12与平行光管13之间加入毛玻璃21，毛玻璃21通过转轴23连接到旋转电机22上，旋转电机22带动毛玻璃21以一定转速进行旋转，毛玻璃21表面为粗糙打磨表面，将毛玻璃21旋转起来后，能够对积分球12出光口带有散斑的出射光进行空间匀化，进而达到减弱或是消除散斑的目的，提高出射光的均匀性。

在图3所示实施方式中，在积分球12与平行光管13之间增加了旋转的毛玻璃21，而毛玻璃21是透射式材料，针对不同波长光的透过率不同，特别是针对近红外波段的透过率普遍较低，因此该实施方式会大大降低了积分球12的出光口的能量，使该方案的应用范围受限。

参考图4，图4为又一种光源系统的结构示意图，图4在图1所示实施方式上增加了耦合光纤41以及超声波机42。激光器11通过耦合光纤41向积分球12入射激光，耦合光纤41的两端之间的一部分放置在超声波机42中，利用超声波机42产生的超声波震荡耦合光纤41，从而减弱耦合光纤41中激光的相干性，进而达到减弱或是消除散斑效应的目的。

在图4所示实施方式中，在积分球前增加了耦合光纤41和超声波机42，规定了激光器11只能采用光纤耦合的方式入射进入积分球12，而光纤耦合方式的能量损失可达50％以上，此外，发明人经过实际测试发现，带有塑料包层的耦合光纤41通过中等功率的超生波震荡后，消除散斑的效果很差，必须对耦合光纤41的外包层进行剥离，才有可能达到较好的消效果，而剥离包层的耦合光纤41极易损坏。

针对图3以及图4所示方式存在的问题，本发明实施例提供了一种光源系统，所述光源系统对积分球进行适当改造的设计，固定积分球的一个半球体，使另一个半球体相对前一个半球体旋转，这种形式的转动与图3所示技术方案在原理上是一致的，都是通过使光反射面或入射面进行空间移动，从而使散斑效应在空间上匀化。本发明实施例未增加反射或透射元件，因此对积分球出光口的能量没有衰减，同时由于仅对积分球进行了设计更改，未规定激光器入射到积分球的入光方式，使该发明更具有适应性。

为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，下面结合附图对上述方案进行详细描述。

参考图5与图6，图5为本发明实施例提供的一种光源系统的结构示意图，图6为图5所示光源系统的局部放大图，该光源系统包括：平行光管13、积分球52、转动装置以及激光器11。

所述积分球52包括：相对设置的固定半球522以及可转动半球521；所述固定半球522固定在预设位置，所述固定半球522具有入光口B以及出光口A。所述转动装置与所述可转动球521连接，用于带动所述可转动半球521绕预设轴线L转动。激光器11，所述激光器11用于通过所述入光口B向所述积分球52内射入激光。平行光管13设置在所述出光口A。平行光管13与出光口A相对设置，积分球52内出射的光通过平行光管13入射到设定区域或是设备中。图5所示实施方式中，积分球52内出射的光通过平行光管13入射光谱仪14。积分球52内出射的光被光谱仪14采集。快视设备15采集光谱仪14中光探测器输出的数字量化信号。图5所示光源系统还包括：遥测与程控设备16、电控箱与热控箱17以及电源18。

其中，所述轴线L通过所述积分球52的球心，且垂直于所述固定半球522与所述可转动半球521之间的圆形接触面。

如图5以及图6所示，所述转动装置包括：电机51，所述电机51用于与所述可转动半球521连接，用于带动所述可转动半球521绕预设轴线L转动；固定支架53，所述固定支架53一端用于固定所述固定半球522，另一端用于固定所述电机51。可选的，所述电机51通过联轴器54与所述可转动半球521连接。

所述电机51与所述可转动半球521之间还设置有弹簧56，所述弹簧56用于为所述可转动半球521提供朝向所述固定半球522的压力。通过所述压力，能够使得所述可转动半球521与所述固定半球522紧密接触，避免漏光。弹簧56提供预紧力，使可转动半球521与固定半球522之间始终保持预紧滑动状态。

在图5以及图6所示实施方式中，所述出光口A位于所述轴线上。需要说明的是，可以根据光源系统的摆放控制设置所述出光口A的朝向，所述出光口A的朝向不局限于图5以及图6所示实施方式。

所述固定半球以及所述可转动半球的开口表面均设置有聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯为耐磨损材料，能够避免积分球52的两个半球之间的接触面被磨损。

如图6所示，所述固定半球522的开口处设置有止口结构C；其中，所述止口结构C为固定在所述固定半球522的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球521与所述固定半球522之间的接口。所述止口结构用于限制可转动半球521在垂直于所述轴线L方向上发生移动，保证可转动半球521绕着所述轴线L做定轴转动。同时，当所述止口结构C为圆筒时，还可以其他密封所述可转动半球521与所述固定半球522之间的接口的作用，避免漏光。

在其他实施方式中，还可以在所述可转动半球的开口处设置有止口结构；同样，所述止口结构为固定在所述可转动半球的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球以及所述固定半球之间的接口。

在其他实施方式中，上述止口结构可以为至少三个固定片，同样可以用于限制可转动半球521在垂直于所述轴线L方向上发生移动，使得可转动半球521绕着所述轴线L做定轴转动。

在图5以及图6所示实施方式中，所述可转动半球521与所述固定半球522之间通过聚四氟乙烯耐磨材料，并通过弹簧56以及止口结构C实现所述可转动半球521与所述固定半球522之间的紧密接触，并使得可转动半球521能够绕轴线L定轴转动。在其他实施方式中，还可以设置所述可转动半球与所述固定半球通过压力轴承连接，此时，无需设置弹簧。

需要说明的是，本发明实施例所述光源系统中，电机可采用直流、交流或步进电机，也可将弹簧和联轴器合并采用弹性联轴器完成传动和预紧要求。积分球内部涂层尽量采用聚四氟乙烯耐磨材料。平行光管与积分球不一定采用分体结构，可适当装配成整体单机。

通过上述描述可知，本发明实施例所述光源系统中，积分球52采用分体形式，即将积分球52分为可转动半球521与固定半球522，两个半球之间可以相同转动，用于消除激光散斑效应。即本发明实施例所述光源系统使积分球的两个半球部分以一定频率相对转动，匀化出光口的激光散斑，从而达到积分球出光口空间能量均匀的目的。

参考图7，图7为图5所示光源系统中快视设备输出的光谱仪探测能量强度的分布图，由图7可知，所述光源系统能够消除或是减弱激光散斑问题，对比图7以及图2的分布图可知，当消除散斑效应时，可以采集到稳定的数字量化信号，形成可靠的测试结果。

本发明实施例所述光源系统中，可转动半球521与固定半球522的连接处，采用止口间隙配合，限制可转动半球521仅有轴向位移，通过弹簧56等预紧元件，保持固定半球522和可转动半球521的紧密接触。

本发明实施例所述光源系统中，由于未增加反射或透射元件，因此对积分球出光口的能量没有衰减，同时由于仅对积分球进行了设计更改，未规定激光器入射到积分球的入光方式，使该发明更具有适应性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种光源系统，其特征在于，包括：

积分球，所述积分球包括：相对设置的固定半球以及可转动半球；所述固定半球固定在预设位置，所述固定半球具有入光口以及出光口；

转动装置，所述转动装置与所述可转动球连接，用于带动所述可转动半球绕预设轴线转动；

激光器，所述激光器用于通过所述入光口向所述积分球内射入激光；

设置在所述出光口的平行光管；

其中，所述轴线通过所述积分球的球心，且垂直于所述固定半球与所述可转动半球之间的圆形接触面，所述出光口位于所述轴线上。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述转动装置包括：

电机，所述电机用于与所述可转动半球连接，用于带动所述可转动半球绕预设轴线转动；

固定支架，所述固定支架一端用于固定所述固定半球，另一端用于固定所述电机。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述电机通过联轴器与所述可转动半球连接。

4.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述电机与所述可转动半球之间还设置有弹簧，所述弹簧用于为所述可转动半球提供朝向所述固定半球的压力。

5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述固定半球以及所述可转动半球的开口表面均设置有聚四氟乙烯涂层。

6.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述固定半球的开口处设置有止口结构；

其中，所述止口结构为固定在所述固定半球的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球以及所述固定半球之间的接口。

7.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述可转动半球的开口处设置有止口结构；

其中，所述止口结构为固定在所述可转动半球的开口处的圆筒，所述圆筒包围所述可转动半球以及所述固定半球之间的接口。

8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述可转动半球与所述固定半球通过压力轴承连接。