CN107817048B - 一种茧型积分球及基于该积分球的平行光管 - Google Patents

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Abstract

针对传统积分球为获得更高的出光口照度均匀性，而导致其占用空间大，对实验室面积及高度要求较高的问题，本发明提供了一种茧型积分球及基于该积分球的平行光管。茧型积分球，包括积分球本体、设置在积分球本体上的进光口和出光口，设置在所述进光口处的光源；所述积分球本体为茧形空腔，包括前半球体和后半球体，前半球体和后半球体通过中间圆柱段或者中间圆台段固连；前半球体直径小于等于后半球体直径；所述出光口开设在前半球上，所述进光口开设在中间圆柱段或者中间圆台段的侧壁上。对于相同大小出光口的茧形积分球和传统积分球，本发明茧形积分球的宽度和高度均小于传统积分球，因此其相对于传统积分球对安置场所的面积及高度需求降低。

Description

一种茧型积分球及基于该积分球的平行光管
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种茧型积分球及积分球平行光管。
背景技术
积分球是一种内部空心的球体，其腔体内壁均匀喷涂有高反射率漫射材料，并内置有多个光源，由于积分球内壁漫反射涂层的积分作用，理论上可以在积分球出光面任一位置获得均匀的郎伯辐射。积分球可提供均匀光源，主要用于相机信噪比测试及辐射定标等。
积分球平行光管是由积分球、准直镜、光陷阱、黑目标、白目标、光源等组成的装置，主要用于光学检测中的杂散光测试。杂散光概述：光学系统形成物体的实像时，在像面上除了按正常光路进行成像外，尚有少量的非成像光线在像面上扩散，这些叠加到像面处的不参与直接成像的有害光称为杂散光。杂散光测试时，将待测光学系统物方朝向积分球平行光管出光口，由光电探测系统分别测出待测物镜像面处，相应黑目标像的照度值EG和白目标像的照度值E0+EG；由于EG和E0+EG s分别与光电探测系统的光信号m1和电信号m2成正比，则待测光学系统轴上像点处的杂光系数
由于传统积分球内表面为球体，为了获得更高的出光口照度均匀性，要求其开孔比(开孔比指积分球开孔处球面积与整个积分球内壁面积之比)应尽量小，因此增大积分球的出光口面积，需要相应增大积分球的直径，这直接导致积分球所占空间变大，对实验室的面积及高度要求较高。对于积分球平行光管来说，也是如此。
发明内容
基于以上背景，针对传统积分球为获得更高的出光口照度均匀性，而导致其占用空间大，对实验室面积及高度要求较高的问题，本发明提供了一种茧型积分球及基于该积分球的平行光管。
本发明的技术解决方案是：
茧型积分球，包括积分球本体、设置在积分球本体上的进光口和出光口，设置在所述进光口处的光源；其特殊之处在于：
所述积分球本体为茧形空腔，包括前半球体和后半球体，前半球体和后半球体通过中间圆柱段或者中间圆台段固连；前半球体直径小于等于后半球体直径；
所述出光口开设在前半球上，所述进光口开设在中间圆柱段或者中间圆台段的侧壁上。
进一步地，上述出光口中心位于前半球和后半球中心连线上。
进一步地，上述进光口有多个，且均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段上。
进一步地，考虑到茧形积分球是由前后两个半球体和中间圆台/圆柱段组成的，较之前后半球体，中间圆台/圆柱段对光线的反射次数相对较少，为了保证出光口的均匀性及较强的辐照度，上述进光口分别靠近前半球体和/或后半球体均匀布设。
进一步地，上述进光口有多个，分为两组，一组沿同一圆周均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段其中一端的侧壁上，另一组沿同一圆周均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段另一端的侧壁上。
进一步地，上述光源至少有两种，不同种类光源交错排布。
进一步地，上述茧型积分球还包括控制系统和用于对光源降温的风扇；所述控制系统包括光源控制模块、亮度调节模块、风扇控制模块；光源控制模块用于点亮光源；亮度调节模块用于调节光源亮度；风扇控制模块用于控制对光源降温风扇的开启和关闭。
本发明同时提供了一种积分球平行光管，包括依次设置的准直镜、积分球、目标板卡槽和光陷阱；其特殊之处在于：所述积分球为上述茧形积分球。
进一步地，上述准直镜位于积分球的出光口处，且准直镜的焦点位于目标板卡槽的中心处。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明打破了传统积分球的设计思维，创造了一种全新的茧型积分球，而形状的改变也并未使其出光口的角均匀性及面均匀性明显降低，经软件仿真分析，茧形积分球的角均匀性与面均匀性可优于95％，可满足一般性的使用要求；适应性好，可通过软件仿真对茧型积分球前后半球直径进行优化，保证茧形积分球满足出口角均匀性和面均匀性的设计要求；对于相同大小出光口的茧形积分球和传统积分球，茧形积分球的宽度和高度均小于传统积分球，因此其相对于传统积分球对安置场所的面积及高度需求降低；进一步地，可根据安置场所的面积和高度对茧型积分球进行设计。
2、相对于传统积分球，茧形积分球的高度较低，因此其出光口的中心轴线较低，更便于人员使用。
附图说明
图1是本发明茧型积分球实施例的示意图；
图2是本发明基于茧型积分球的平行光管实施例示意图；
图3是本发明基于茧型积分球的平行光管的白目标板示意图；
图4是本发明基于茧型积分球的平行光管的黑目标板示意图；
图5是利用LightTools软件仿真的本发明茧形积分球实施例的仿真模型；
图6是利用LightTools软件仿真的传统球形积分球实施例的仿真模型。
图中标号：1-出光口；2-前半球体；3-光源；4-进光口；5-中间圆台段；6-后半球体；7-控制系统；8-准直镜；9-目标板卡槽；10-光陷阱；11-白目标板；12-黑目标板。
具体实施方式
参见图1-图4，本发明的茧型积分球，主要用于相机信噪比测试及辐射定标；其积分球本体为茧形空腔，包括前半球体2和后半球体6，前半球体2和后半球体6通过中间圆台段5固连，且前半球体2直径小于后半球体6直径，这样的好处是可以在保证面均匀性的前提下，最大程度的提高出光口1照度均匀性。在其他实施例中，前半球体2和后半球体6也可以通过中间圆柱段固连，此时，前半球体2直径等于后半球体6直径。实际中，可通过LightTools或Tracepro等光学仿真软件仿真，对前半球体和后半球体进行优化设计，确定满足出光口角均匀性和面均匀性要求的球体直径。
在积分球本体的前半球体2上开设出光口1，且出光口1中心位于前半球体2和后半球体6中心连线上，以便于布设光源和使用；在中间圆台段5的侧壁上开设进光口4，进光口4处设置有光源3；当进光口4有多个时，最好均匀布设，有利于出光口的面均匀性和角均匀性；考虑到茧形积分球是由前后两个半球体和中间圆台段组成的，较之前后半球体，中间圆台段对光线的反射次数相对较少，为了保证出光口的均匀性及较强的辐照度，光源应尽量接近前后半球体布置；本实施例中，进光口4有多个，分为两组，一组沿同一圆周均匀分布在中间圆台段5靠近前半球体2的侧壁上，另一组沿同一圆周均匀分布在中间圆台段5靠近后半球体6的侧壁上，有利于最大程度利用前后半球体来反射光线。实际应用中，一种光源的光谱覆盖不全面，所以设置在进光口4处的光源3可能会有两种以上，此时考虑将不同种类的光源3交错穿插排布。另外，为防止光源温度过高，积分球本体内或光源处还设置有用于对光源进行降温的风扇。
本发明积分球还包括控制系统7，该控制系统7主要包括光源控制模块、亮度调节模块、风扇控制模块，用于远程控制光源和风扇的运行，使得控制人员与光源主体脱离，确保了操作便利性与安全性。其中，光源控制模块用于点亮光源；亮度调节模块用于调节光源亮度；风扇控制模块用于控制对光源降温风扇的开启和关闭。
参见图2，为采用图1所示积分球的平行光管，用于光学检测中的杂散光测试；该平行光管包括依次设置的准直镜8、茧形积分球、光陷阱10和目标板卡槽9；目标板卡槽9用于放置黑目标板或白目标板；准直镜8选用透射式，位于茧型积分球的出光口1处，准直镜8的焦点位置位于目标板卡槽9中心处，以保证准直镜焦距较长的情况下，茧形积分球体积小于一般常规积分球；光陷阱10为具有开口的球形空腔，用于提供黑目标板的黑背景；光陷阱10内表面涂有消光漆，消光漆反射率低于5％，其开口直径通过茧形积分球开口比计算确定，最终黑白目标的对比度应低于0.3％；目标板卡槽9位于茧型积分球和光陷阱10之间，用于黑目标与白目标的放置和更换；黑目标为一系列中心具有通孔的目标板，其直径间隔可根据需求自行选定，一般为10mm；黑目标板的最大通孔直径等于光陷阱10的开口直径；黑目标板朝向茧型积分球的一面涂覆有与茧型积分球内壁相同的高反射率漫射材料，朝向光陷阱10的一面涂覆有与光陷阱10内壁相同的消光漆；白目标板为一块中心不具有通孔的目标板，其两面涂覆的材料与黑目标板相同。
图5为利用LightTools软件仿真的本发明茧形积分球实施例的仿真模型，前半球直径1.5m，后半球直径2.0m，积分球总长3.5m，出光口直径450mm，仿真结果为出光口面均匀性96.3％，角均匀性95.1％。
图6为利用LightTools软件仿真的传统球形积分球实施例的仿真模型，球体直径3.5m，出光口直径450mm，仿真结果为出光口面均匀性97.1％，角均匀性96.3％。
经仿真数据对比可以看出，对于相同大小的出光口，本发明的茧形积分球的宽度和高度均小于传统球形积分球，并且本发明的出光口面均匀性和较均匀性指标与传统球形积分球相当，并未明显降低，仍能满足设计要求。

Claims (9)

1.茧型积分球，包括积分球本体、设置在积分球本体上的进光口和出光口，设置在所述进光口处的光源；其特征在于：所述积分球本体为茧形空腔，包括前半球体和后半球体，前半球体和后半球体通过中间圆柱段或者中间圆台段固连；前半球体直径小于等于后半球体直径；所述出光口开设在前半球上，所述进光口开设在中间圆柱段或者中间圆台段的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的茧型积分球，其特征在于：所述出光口中心位于前半球和后半球中心连线上。
3.根据权利要求1或2所述的茧型积分球，其特征在于：所述进光口有多个，且均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段上。
4.根据权利要求3所述的茧型积分球，其特征在于：所述进光口分别靠近前半球体和/或后半球体均匀布设。
5.根据权利要求4所述的茧型积分球，其特征在于：所述进光口有多个，分为两组，一组沿同一圆周均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段其中一端的侧壁上，另一组沿同一圆周均匀分布在所述中间圆柱段或者中间圆台段另一端的侧壁上。
6.根据权利要求3所述的茧型积分球，其特征在于：所述光源至少有两种，不同种类光源交错排布。
7.根据权利要求3所述的茧型积分球，其特征在于：还包括控制系统和用于对光源降温的风扇；所述控制系统包括光源控制模块、亮度调节模块、风扇控制模块；光源控制模块用于点亮光源；亮度调节模块用于调节光源亮度；风扇控制模块用于控制对光源降温风扇的开启和关闭。
8.积分球平行光管，包括依次设置的准直镜、积分球、目标板卡槽和光陷阱；其特征在于：所述积分球为权利要求1-7任一所述的茧形积分球。
9.根据权利要求8所述的积分球平行光管，其特征在于：所述准直镜位于积分球的出光口处，且准直镜的焦点位于目标板卡槽的中心处。
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