CN109442240B - 一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源 - Google Patents

一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，包括m个光源腔室、m个积分球、n根导光光纤、毛玻璃，光源腔室包括依次相连的LED组合光源、光阑、衰减片组，由n根导光光纤组成的面的进口端、出口端均通过一个积分球与其对应的光源腔室相连。LED组合光源，用于模拟星光与月光的光谱；光阑，用于调节LED组合光源发射光束的束径；衰减片组，用于对LED组合光源发射的光进行衰减；积分球，用于将衰减片组衰减后的光均匀地导入导光光纤；导光光纤，用于接收积分球发射出的光形成发光面并均匀射出；毛玻璃，用于使导光光纤发出的光均匀射出。本发明的面光源有效的提高了光谱拟合的精度，使得仿真环境更贴近于真实环境，效果良好，更利于飞行员长时间使用。

Description

一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源
技术领域
本发明属于光谱学领域，特别涉及一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源。
背景技术
随着全天候作战在现代战争中发挥越来越大的作用，对夜视装备的应用需求也越来越多。夜视装备虽然提高了飞行人员夜间飞行操作能力，但观察受限、色感缺失、判断距离和高度困难、障碍物及地貌反光影响等不利因素，带来了空间定向障碍、工作负荷增加和疲劳等一系列问题，甚至引发飞行事故上升。因此，与夜航和夜视装备使用的训练和训练装备应运而生，并在战争冲突中发挥效能。
有关夜天光光源的模拟一般选用的光源为2856K±50K的标准A光源，A光源是钨丝光，但由于其发光效率低、寿命短，逐步用卤钨灯取代普通钨丝灯。而卤钨灯能模拟的光谱是固定的不可调整的，且相较于LED而言，使用寿命短，耗能高，不能频繁开关，尤其是其中所含的汞对环境会产生危害。且此类光源是点光源，功率越大越刺眼，相较于面光源来说，在照度、均匀性方面皆有不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种精度准确、拟合度高的可调模拟夜天光光谱的面光源，能适用于飞行员夜视镜夜间观察环境。
实现本发明目的的技术方案为：一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，包括m个光源腔室、m个积分球、n根导光光纤、毛玻璃；所述光源腔室包括依次相连的LED组合光源、光阑、衰减片组；由n根导光光纤组成的面的进口端、出口端均通过一个积分球与其对应的所述光源腔室相连；所述导光光纤的下方设置毛玻璃。
所述LED组合光源，用于发射光以覆盖可见光近红外光谱波段，模拟星光与月光的光谱；
所述光阑，用于调节LED组合光源发射光束的束径；
所述衰减片组，用于对LED组合光源发射的光进行衰减；
所述积分球，用于将衰减片组衰减后的光均匀地导入导光光纤；
所述导光光纤，用于接收积分球发射出的光形成发光面并均匀射出；
所述毛玻璃，用于将导光光纤发出的光均匀射出。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的面光源采用LED组合光源实现光谱可调，模拟光谱可通过改变LED组合进行调整；2)本发明的面光源精度高、拟合度高，采用LED组合，利用中性衰减片组进行衰减，处理后的光谱更贴近夜天光光谱，具有很高的拟合度；3)本发明的面光源光照范围更广，模拟更接近真实光谱；4)本发明的面光源可以模拟夜天光中月光满月、半月、1/4月等不同光谱的光的照射，更加贴合实际；5)本发明的面光源采用LED组合，其中的LED发光光谱窄、节能、长寿、可以工作在高速状态避免在频繁的启动或关断的情况下损坏，且不会对环境产生危害，除此之外LED灯带增大了发光面，能消除眩光、升华视觉效果、消除视觉疲劳，利于飞行员长时间使用。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明光谱可调模拟夜天光光谱的面光源的结构图。
图2为本发明实施例中模拟的星光光谱与标准的星光辐射光谱分布曲线对比示意图。
图3为本发明实施例中模拟的月光光谱与标准的满月光辐射光谱分布曲线对比示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，包括m个光源腔室1、m个积分球5、n根导光光纤6、毛玻璃7；光源腔室1包括依次相连的LED组合光源2、光阑3、衰减片组4；由n根导光光纤6组成的面的进口端、出口端均通过一个积分球5与其对应的光源腔室1相连；导光光纤6的下方设置毛玻璃7。
LED组合光源2，用于发射光以覆盖可见光近红外光谱波段，模拟星光与月光的光谱。
光阑3，用于调节LED组合光源2发射光束的束径。
衰减片组4，用于对LED组合光源2发射的光进行衰减。其衰减的原理为：吸收式中性密度滤光片一般是指材料本身中掺杂某些元素后，对一些特定波长的光起到吸收作用，而对其它波长的光不发生或少发生影响。通常吸收式中性密度滤光片的损伤阈值要低一些，而且长时间使用后，可能会有发热现象，使用时需要注意。
积分球5，用于将衰减片组4衰减后的光均匀地导入导光光纤。积分球的内壁选用硫酸钡涂料能使入射光进行漫反射作用，漫反射是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，进入积分球的入射光经过内壁硫酸钡涂层多次反射，在内壁形成均匀照度。
导光光纤6，用于接收积分球5发射出的光形成发光面并均匀射出。导光光纤的导光原理为：根据光的折射定律：n1sinθ1＝n2sinθ2n1为纤芯的折射率，n2为包层的折射率)，若n1＞n2,则会有θ2＞θ1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射率θ2≥90°，此时的折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上经过θ2＝90°时)，或者重返回到纤芯中进行传播θ2≥90°时)。这种现象叫光的全反射，把对应于折射角θ2等于90的入射角叫做临界角，临界角
Figure BDA0001835307040000031
当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光进入包层中，所以可以大大降低光纤的衰耗。
毛玻璃7，用于将导光光纤6发出的光均匀射出。
进一步地，LED组合光源2由n'种LED灯串联构成，n'的具体数值根据所需模拟的光谱进行调换并具体化。
进一步地，LED组合光源2上设置控制开关，用于控制n'种LED灯的工作状态，从而改变LED组合光源2的光谱以模拟月光的满月、半月、1/4月光谱。
进一步地，m＝2。
进一步地，衰减片组4包括m'个不同衰减系数的中性衰减片。
进一步地，m'个不同衰减系数的中性衰减片进行任意组合搭配用于调换模拟的光谱。
进一步地，可见光近红外光谱波段为400nm-1000nm。
进一步地，通过相关指数判定面光源与夜天光光谱拟合精度，相关指数的公式为：
Figure BDA0001835307040000041
式中，τTi为目标数据，
Figure BDA0001835307040000042
为拟合数据，
Figure BDA0001835307040000043
为目标滤光片透过率的数学期望，n为拟合曲线上选取的点的数量。
实施例
本实施例中光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，包括2个光源腔室、2个积分球、30根导光光纤、毛玻璃；光源腔室包括依次相连的LED组合光源、光阑、衰减片组；由30根导光光纤组成的面的进口端、出口端均通过一个积分球连接一个对应的光源腔室；导光光纤的下方设置毛玻璃。
本发明中光谱的模拟主要是LED组合光源中的LED组合，需针对星光光谱与月光光谱分别选取不同的LED灯组合。本实施例中要求面光源与夜天光光谱拟合精度达80％左右。本实施例中将可见光波段中的400nm-680nm这280nm的区间划分为14等份，通过光谱仪测量所需波长的频谱图以及数据，计算出所需的各种LED的数量，选取的模拟星光光谱的LED组合如下表1所示：
表1模拟星光光谱选取的LED组合
Figure BDA0001835307040000044
Figure BDA0001835307040000051
选取的模拟月光光谱的LED组合如下表2所示：
表2模拟月光光谱选取的LED组合
LED封装 LED波段 电阻阻值 数量
0603 400nm 540Ω 3
0603 425nm 151Ω 4
0603 441nm 151Ω 4
0603 458nm 260Ω 4
0603 470nm 260Ω 8
0603 498nm 680Ω 4
0603 515nm 151Ω 8
0603 530nm 430Ω 4
0603 561nm 301Ω 4
0603 588nm 220Ω 13
0603 604nm 151Ω 2
0603 624nm 1KΩ 1
0603 626nm 500Ω 1
0603 650nm 1KΩ 1
本实施例中模拟星光光谱的LED组合的光谱曲线、模拟月光光谱的LED组合的光谱曲线分别与标准的星光、月光光谱特性曲线的比较分别如图2、图3所示。光谱拟合的精度通过相关指数进行判定，相关指数R2表示一元多项式回归方程拟合度的高低，所用公式为：
Figure BDA0001835307040000052
式中，τTi为目标数据，
Figure BDA0001835307040000053
为拟合数据，
Figure BDA0001835307040000054
为目标滤光片透过率的数学期望，n为拟合曲线上选取的点的数量。相关指数越接近于1，表明匹配的效果越好。对光谱匹配而言，相关指数越大，匹配的光谱和目标光谱的相似度就越高。
通过相关指数R2计算公式，可得本实施例中星光光谱模拟的相关指数约为83.374％，月光光谱模拟的相关指数约为79.457％，达到了本实施例要求的精度。
本发明光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，有效的提高了光谱拟合的精度，使得仿真环境更贴近于真实环境，效果良好，更利于飞行员长时间使用。

Claims (8)

1.一种光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，包括m个光源腔室(1)、m个积分球(5)、n根导光光纤(6)、毛玻璃(7)；所述光源腔室(1)包括依次相连的LED组合光源(2)、光阑(3)、衰减片组(4)；由n根导光光纤(6)组成的面的进口端、出口端均通过一个积分球(5)与其对应的所述光源腔室(1)相连；所述导光光纤(6)的下方设置毛玻璃(7)；
所述LED组合光源(2)，用于发射光以覆盖可见光近红外光谱波段，模拟星光与月光的光谱；
所述光阑(3)，用于调节LED组合光源(2)发射光束的束径；
所述衰减片组(4)，用于对LED组合光源(2)发射的光进行衰减；
所述积分球(5)，用于将衰减片组(4)衰减后的光均匀地导入导光光纤；
所述导光光纤(6)，用于接收积分球(5)发射出的光形成发光面并均匀射出；
所述毛玻璃(7)，用于将导光光纤(6)发出的光均匀射出。
2.根据权利要求1所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述LED组合光源(2)由n'种LED灯串联构成，n'的具体数值根据所需模拟的光谱进行调换并具体化。
3.根据权利要求2所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述LED组合光源(2)上设置控制开关，用于控制所述n'种LED灯的工作状态，从而改变LED组合光源(2)的光谱以模拟月光的满月、半月、1/4月光谱。
4.根据权利要求1所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述m＝2。
5.根据权利要求1所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述衰减片组(4)包括m'个不同衰减系数的中性衰减片。
6.根据权利要求5所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述m'个不同衰减系数的中性衰减片进行任意组合搭配用于调换模拟的光谱。
7.根据权利要求1所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，所述可见光近红外光谱波段为400nm-1000nm。
8.根据权利要求1所述的光谱可调模拟夜天光光谱的面光源，其特征在于，通过相关指数判定面光源与夜天光光谱的拟合精度，相关指数的公式为：
Figure FDA0002507059000000021
式中，R为相关指数，τTi为目标数据，
Figure FDA0002507059000000022
为拟合数据，
Figure FDA0002507059000000023
为目标滤光片透过率的数学期望，n为拟合曲线上选取的点的数量。
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