CN106768308A - 超薄入光口积分球式余弦校正器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄入光口积分球式余弦校正器，包括有石英超半球球罩、铝合金金属球壳上半球、铝合金金属球壳下半球、聚四氟乙烯球形内胆上半球、聚四氟乙烯球形内胆下半球、挡光板、挡光板安装支架、入光口、超薄金属薄片和出光口。本发明采用积分球作为接收光学头部，具有良好的消偏振作用，可有效避免野外大气环境引入的偏振影响。本发明积分球入光口壁厚小于1mm，积分球内部设计可防止直射或一次反射光直接照明入光口，实施案例实测结果表明使用安装有本发明的照度测量装置呈现出理想的余弦响应特性。本发明在光辐射测量领域中照度测量和气象领域中的太阳总辐射测量方面具有广泛应用前景。
Description
技术领域：
本发明属于光辐射测量和气象领域，具体涉及一种超薄入光口积分球式余弦校正器。
背景技术：
在实验室照度测量和室外太阳辐照度测量中，通常需要使用余弦校正器。余弦校正器的余弦特性是影响照度测量精度的重要因素。
目前常用的余弦校正器形式有：（1）石英、浮法玻璃等材料制成的透射式毛面玻璃。使用时将毛玻璃片作为单独的光学头部直接安装在光谱仪或探测器导光光纤前部；（2）积分球。使用时，将光谱仪或探测器导光光纤安装在积分球上垂直入光口的位置，通常在入光口和出光口之间使用挡光板遮挡来自入光口的直射光。
毛面玻璃式余弦校正器光学效率高，不足之处在于余弦特性一般，一般仅能在有限的角度范围内具有较优良的余弦特性，适用范围有限，容易引入较大的余弦误差。积分球式余弦校正器内部经过内部涂层多次漫反射，光学效率低，但可以在更大角度范围上保持优良的余弦特性。
积分球式余弦校正器的余弦特性与积分球入光口壁厚有直接关系，入光口太厚将部分遮拦斜入射光束，直接影响余弦特性的角度范围；此外，直射和一次反射光直接照明积分球出光口处光纤也会直接影响余弦特性。由于机械加工形变等限制，目前积分球开口处金属球壳壁厚和聚四氟乙烯材料的厚度组成的积分球壁厚一般在2mm以上，难以进一步减小。并且，现有的积分球式余弦校正器在遮挡直射光方面考虑较多，而在同样影响余弦特性的一次反射光遮挡方面考虑不足，这些因素限制了积分球式余弦校正器余弦特性的进一步提高。
发明内容
本发明的目的是克服已有的技术障碍，提出一种超薄入光口积分球式余弦校正器，充分考虑直射光和积分球内一次反射光的遮挡，提高现有积分球式余弦校正器的余弦响应特性。
本发明采用的技术方案如下：
超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：包括有石英超半球球罩、球形内胆、金属球壳、超薄金属片和挡光板，球形内胆安装于金属球壳内、开口位置重合构成积分球，所述球形内胆包括有内胆上半球、内胆下半球，金属球壳包括有金属球壳上半球、金属球壳下半球；所述挡光板通过挡光板安装支架固定在球形内胆上；所述积分球的顶部开设有出光口，内胆上半球和金属球壳上半球的顶部齐平，超薄金属片置于金属球壳上半球的顶部出光口处，超薄金属片的中心开孔，用于接收所测量辐射信息；所述石英超半球球罩设在金属球壳上半球上；所述积分球的上、下半球的接缝处设有用于安装光纤的入光口，入光口法线平面与出光口法线平面垂直。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述球形内胆采用经过高温烧结后形成的发泡聚四氟乙烯加工而成。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述内胆上半球、内胆下半球的接缝平面为经过球心的圆形倾斜面，接缝平面倾斜角度大于等于45°。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超半球石英球罩的中心线与入光口法线重合。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述球形内胆入光口处壁厚小于1毫米。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超薄金属片为环形的不锈钢、黄铜或铟钢薄片，厚度小于等于0.1mm。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超薄金属片中心开孔大小与球形内胆的入光口大小相同，表面经过发黑工艺处理。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述挡光板安装于球形内胆的出光口一侧，挡光板通过挡光板安装支架固定在球形内胆上半球上，挡光板中心正对出光口。
所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述挡光板为圆形，由发泡聚四氟乙烯材料加工而成或者由金属片表面喷涂聚四氟乙烯涂层制成。
本发明的优点是：
本发明使用经过高温烧结的发泡聚四氟乙烯材料直接加工成积分球内胆，对内胆入光口处再进行仔细修磨，贴合黑色超薄金属片，可以将积分球总壁厚控制在1mm以内，工艺实现难度小。使用遮光板正对（垂直）积分球出口，并考虑到光纤的观测视场有限，可完全遮挡一次反射光；遮光板固定支架宽度经过仔细设计，可完全遮挡直射光。经过上述两项改进，可有效提高现有积分球余弦校正器的余弦特性水平。
附图说明
图1为本发明装配图。
图2为本发明使用的超薄金属片外观图。
图3为本发明安装超薄金属片位置台阶局部放大图。
图4为利用图1结构余弦校正器配合照度计实测的全天太阳直射照度曲线。
图5为本发明的其他结构形式（一）。
图6为本发明的其他结构形式（二）。
图7为本发明的其他结构形式（三）。
图8为本发明的结构形式（三）所使用的余弦误差校正环。
具体实施方式
超薄入光口积分球式余弦校正器，整体结构装配图见图1所示。包括有石英超半球球罩1、铝合金金属球壳上半球21、铝合金金属球壳下半球22、聚四氟乙烯球形内胆上半球31、聚四氟乙烯球形内胆下半球32、挡光板41、挡光板安装支架42、安装有光纤接口的入光口5，超薄金属薄片6和出光口7。
挡光板安装支架42表面喷涂聚四氟乙烯涂层，聚四氟乙烯挡光板41和挡光板安装支架42使用2个螺丝10固定，固定后整体安装在聚四氟乙烯球形内胆31上，使用2个螺丝11在聚四氟乙烯球形内胆31外部固定。
聚四氟乙烯球形内胆31和32按照图1所示扣合，接缝截面为一倾斜圆面，与过球形内胆球心的水平面夹角大于45°，在本实施案例中夹角达到了53°。采用这种接合方式可避免测量太阳辐射时，太阳直射光束直接照明到接缝位置，影响测量精度。按照图1所示的接合方式，可保证测量太阳辐射时太阳直射光束在绝大多数时刻照明在内胆球面的均匀位置。两个半球接缝位置处可通过涂胶方式紧固。
铝合金金属球壳上半球21和铝合金金属球壳下半球22如图1所示接合，接缝位于水平平面，在金属球壳半球上在接缝附近使用6个沿圆周均匀分布的螺丝9固定，螺丝分布位置避开积分球出光口（光纤接口）5。
在积分球顶部开口7处，应当保证聚四氟乙烯球形内胆31顶部和铝合金金属球壳上半球21顶部齐平，将图2所示超薄金属片6放在铝合金金属球壳上半球21顶部台阶13内，超薄金属片6中心开口对齐积分球出光口7，使用粘结剂贴合固定。铝合金金属球壳上半球21顶部台阶13见图3。安装黑色超薄金属片6后，黑色超薄金属片6完全遮盖聚四氟乙烯球形内胆31顶部裸露部分，将积分球出光口7周围形成平整的黑色平面。
石英超半球球罩1安装在铝合金球壳上半球21顶部圆槽中，使用粘结剂胶合，完成超薄入光口积分球式余弦校正器的安装。
将图3所示超薄入光口积分球式余弦校正器安装到一个光谱仪上，使用光纤束连接余弦校正器出光口和光谱仪入光口，在敦煌地区测量了全天的太阳光谱辐照度，获得了550nm波长处一整天的测试曲线，如图4所示。图4测量曲线呈现出理想的余弦特征，证明了本发明设计形式的优越性。其他波长处也有类似的结果，不再赘述。
除上述实施方式外，铝合金属金球壳上半球21顶部边缘台阶12还可用作余弦误差校正环，校正大角度范围照明情况下的余弦误差。利用铝合金金属球壳上半球21顶部边缘台阶12作为余弦误差校正环的实施方式参考图5，边缘台阶12明显高出黑色超薄金属片6平面，实现大角度入射光束的遮挡。边缘台阶12既用于固定石英超半球球罩1，又可遮挡大角度入射光束，起到余弦误差校正器的作用。
或者如图6所示，增大铝合金金属球壳上半球21顶部外围直径，边缘台阶12距离石英超半球球罩1一定距离，边缘台阶12仅作为余弦误差校正器使用。
或者如图7所示，单独制作余弦误差校正器14，使用4个螺钉15将其固定在铝合金金属球壳上半球21顶部边缘台阶12上。余弦误差校正器14的完整形式见图8。
聚四氟乙烯挡光板41的大小和距离光纤端面的距离可根据使用的光纤数值孔径和芯径参数调整。
Claims (9)
1.超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：包括有石英超半球球罩、球形内胆、金属球壳、超薄金属片和挡光板，球形内胆安装于金属球壳内、开口位置重合构成积分球，所述球形内胆包括有内胆上半球、内胆下半球，金属球壳包括有金属球壳上半球、金属球壳下半球；所述挡光板通过挡光板安装支架固定在球形内胆上；所述积分球的顶部开设有出光口，内胆上半球和金属球壳上半球的顶部齐平，超薄金属片置于金属球壳上半球的顶部出光口处，超薄金属片的中心开孔，用于接收所测量辐射信息；所述石英超半球球罩设在金属球壳上半球上；所述积分球的上、下半球的接缝处设有用于安装光纤的入光口，入光口法线平面与出光口法线平面垂直。
2.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述球形内胆采用经过高温烧结后形成的发泡聚四氟乙烯加工而成。
3.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述内胆上半球、内胆下半球的接缝平面为经过球心的圆形倾斜面，接缝平面倾斜角度大于等于45°。
4.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超半球石英球罩的中心线与入光口法线重合。
5.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述球形内胆入光口处壁厚小于1毫米。
6.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超薄金属片为环形的不锈钢、黄铜或铟钢薄片，厚度小于等于0.1mm。
7.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述超薄金属片中心开孔大小与球形内胆的入光口大小相同，表面经过发黑工艺处理。
8.根据权利要求1所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述挡光板安装于球形内胆的出光口一侧，挡光板通过挡光板安装支架固定在球形内胆上半球上，挡光板中心正对出光口。
9.根据权利要求8所述的超薄入光口积分球式余弦校正器，其特征在于：所述挡光板为圆形，由发泡聚四氟乙烯材料加工而成或者由金属片表面喷涂聚四氟乙烯涂层制成。
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