CN1282867A - 液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪 - Google Patents

Abstract

液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪,依次包括白光光源、透镜、单色仪、准直透镜、滤色片转盘、偏振器、样品台、光电探测器。光电探测器中的光电倍增管接信号转换与程控放大模块,经A/D卡与计算机相连;单色仪、滤色片转盘、偏振器、样品台、光电探测器的位置探测与反馈电路接步进电机驱动与控制模块,经I/O卡与计算机相连。利用转动的光电探测器和偏振器能测试各种形状各异的,不同入射角、出射角度的偏振光光谱特性的分色合色元件。

Description

液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪

本发明涉及光谱测定法的检测仪。

液晶投影机是当前大屏幕显示技术的主要方法。在电化教学、办公、商务以及广告娱乐等方面应用广泛，与其它大屏幕显示技术相比，具有体积小，重量轻方便携带等优点，目前正在得到大面积推广与应用。常规的液晶投影机中主要元件为分色合色光学器件。这些元件或者是一些平板型分色器件，或者为各种棱镜型分色合色器件。由于液晶投影机工作在特定的偏振光状态，而各种分色合色器件的形状各异，因此液晶投影机的分色合色光学元件的光谱测试是常规光谱测试分析系统所无法进行的。

目前常规的分光光度计为透射测量方式，无法测量反射特性。或能测量反射特性，但只能测量垂直反射特性；所用光为无偏振的自然光，无法测量分色合色器件的偏振分光光谱特性。由于常规光度计只测量较薄样品，所以在光路设计上所用的光束平行度不高，没有其他光学积分元件。因此用常规光度计测量较厚器件的光谱透过率时，由于器件厚度给光线带来的偏折较大，使测量的结果往往不准确，有时甚至出现透过率大于100％的错误结果。

本发明的目的是：设计一种利用转动的探测器和偏振器能测试各种形状各异的，不同入射角、出射角度的偏振光光谱特性的液晶投影中的分色合色元件的光谱检测仪。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

它依次包括白光光源、透镜、单色仪、准直透镜、滤色片转盘、偏振器，放置被测样品的样品台，由金属积分球和光电倍增管组成的光电探测器空套在样品台的转轴上；

光电探测器中的光电倍增管接信号转换与程控放大模块，经A／D采集卡与计算机相连；单色仪、滤色片转盘、偏振器、样品台、光电探测器的位置探测与反馈电路接步进电机驱动与控制模块，经I／O卡与计算机相连。

下面结合附图对本发明作详细描述。

附图说明：

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的光电探测器结构示意图；

图3是本发明的电路原理框图；

图4是本发明光电探测器与计算机连接电路图；

图5是本发明的运动状态控制电路图；

如图1、图3所示，它依次包括白光光源1、透镜2、单色仪3、准直透镜4、滤色片转盘5、偏振器6，放置被测样品8的样品台7，由金属积分球9．4和光电倍增管9．1组成的光电探测器9空套在样品台7的转轴上；光电探测器9中的光电倍增管9．1接信号转换与程控放大模块10，经A／D采集卡11与计算机15相连；单色仪3、滤色片转盘5、偏振器6、样品台7、光电探测器9的位置探测与反馈电路13接步进电机驱动与控制模块12，经I／O卡14与计算机15相连。

如图4所示，信号转换与程控放大模块10的J1脚、B1脚分别接A／D采集卡11和光电倍增管9．1的一端，信号转换与程控放大模块10的J2脚和高压模块17的J3脚接电源，高压模块17的B2脚、J4脚分别接光电倍增管9．1的另一端和样品池门开关16。

如图5所示，步进电机驱动与控制模块12的P1、P2脚分别接I／O卡和电源；P3、P4脚分别接光电探测器位置传感光电开关0-DEG和90-DEG；P5、P6脚分别接滤色片转盘位置传感光电开关L和H；P7、P8脚分别接单色仪波长位置传感光电开关M1N和MAX；P9脚接样品台位置传感光电开关0-DEG；P10脚接偏振片位置传感光电开关0-DEG；J1、J2、J3、J4、J5脚分别接样品台电机7．1、偏振片电机6．1、探测器电机9．5、滤色片电机5．1和单色仪电机3．1；X1、Y1脚，X2、Y2脚，X3、Y3脚，X4、Y4脚，X5、Y5脚分别接样品台驱动模块7．2，偏振片驱动模块6．2，光电探测器驱动模块9．6，滤色片驱动模块5．2和单色仪驱动模块3．2。

如图2所示，光电探测器9包括内涂有反光层氧化镁涂层9．3的金属积分球9．4，金属积分球9．4的一端能接收测量光束，另一端经漫射板9．2接光电倍增管9．1。

光电倍增管9．1为GDB-159，信号转换与程控放大模块10为AK002，步进电机驱动与控制模块12为BK201，样品池门开关16和位置传感光电开关为GK151，高压模块17为WG956，驱动模块为BQ201。

如图1所示，灯源发出的可见区白光1，经透镜2会聚于单色仪3的入射狭缝，经单色仪3出射的单波长光线经准直透镜4准直，经过滤色片转盘5，并由偏振器6起偏成线偏振光，入射到被测样品8。被测样品8放置于一个可转动的样品台7上，可调节控制入射角度。通过样品的光束(透射光束或反射光束)由积分球9．4收集经光电倍增管9．1接收转化为电流信号，该电流信号经过放大电路10处理，由A／D采集卡11转换成数字信号送入计算机15。计算机控制整个测试过程，包括样品台的角度调节，积分球和光电倍增管(光电探测器)的位置调节，偏振方向调节以及数据处理等。

其中滤色片转盘的作用是为了克服光电倍增管的光谱响应在测试的不同光谱范围内的不一致性而引入的，在不同的测试谱段引入不同透过率的滤光片是得整个测试系统的光谱灵敏度较为一致，提高系统的测试精度。单色仪出射的是自然光，可以分解成两个正交的偏振光，经过偏振片后，该自然就变成了线偏振光。

图2所示，表示本发明的光电探测器部件，该部件采用高效的朗伯体漫射积分球，配合转折光路，漫射板9．2以及光电倍增管9．1，构成一个对入射光的入射方向在小范围变化不敏感的光电探测系统。该积分球的大小与探测得到的光电信号的强弱密切相关，经过反复试验，采用直径为40至150mm的积分球效果最好，既保证了信号强度又保证了入射光角度的不敏感性。

本发明在光谱仪的信号检测方面采用的是单光路法，及背景辐射与经过样品后的反射或透射辐射均采用同一光路进行。同样的本发明也使用于双光路的光谱检测系统。

本系统的电路与控制过程为(如图3所示)：

计算机通过A／D、经光电隔离后，控制“信号转换与控制放大电路模块”，直接控制并测试光电倍增管(本专利中采用GDB-159，实际上可以采用相应检测波段的光电探测器件)的光电信号，光电倍增管的高压电源由样品池的门开关来控制电源的开断，已保证样品池突然打开时，外界的强光不损坏光电倍增管，影响测试精度，通过电路程控硬放大、滤波与程序软放大、滤波两种方式，来保证测试信号的动态范围与测试精度。

同时计算机通过I／O口、经光电隔离后，控制“步进电机驱动与控制模块”，驱动机构多台步进电机的运动(样品台电机、探测器步进电机、滤色片步进电机、偏振片电机以及单色仪步进电机)，并由多个位置光电开关(如：0度探测器、90度探测器，以及L滤色片探测器、H滤色片探测器，单色仪MIN探测器、单色仪MAX探测器以及偏振片0-DEG，样品台0-DEG)反馈运动状态，使计算机能够实时获知整机系统的状态，以便控制执行测试任务。

电路连接方式为(如图4所示)：

计算机通过内插或采用外置式A／D卡，通过光电隔离器后，经并排导线连接“信号转换与控制放大电路模块”，该模块具有电流电压转换以及低噪程控放大功能，经过上述模块后，用屏蔽导线连接到系统的光电传感器光电倍增管。本发明的光电传感器件为光电倍增管，其高压由高压模块WG965提供，而高压模块的电压输出又由装在样品池门上的光电开关GK151来控制。光电开关GK151是由一个小发光管与一个光电二极管构成，在样品池门上装一个挡光片，当门关上时，挡光片正好位于小发光管与一个光电二极管之间，光电二极管输出信号给高压模块，高压模块切断供给光电倍增管的高压。这样，可以保证样品池突然打开时，外界的强光不损坏光电倍增管，影响仪器测试精度。

光电倍增管探测到的光电信号接入“信号转换与控制放大电路模块”，并由其进行电流电压变换、滤波以及程控放大后经过排导线，在光电隔离之后进入计算机的A／D卡。计算机采集A／D卡的数据，并经过软件进行数据放大、滤波处理，以保证测试信号的动态范围与测试精度。

在运动状态控制部分(如图5所示)：

计算机由I／O口，经过光电隔离器后，经并排导线连接“步进电机驱动与运动状态控制电路模块”，该模块具有执行计算机运动指令以及检测仪器各个部件的状态及位置功能。经过该模块的电机驱动部件，分别连接到达探测器驱动模块，样品台驱动模块，滤色片驱动模块，偏振片驱动模块以及单色仪驱动模块，这些驱动模块形成电机驱动电流信号，进而连线输送到各自的步进电机，驱动电机运动，带动部件工作。

同时，由“步进电机驱动与运动状态控制电路模块”P3-10几个引线分别与探测器位置传感光电开关0-DEG、90-DEG；样品台位置开关0-DEG；滤色片位置传感光电开关L、H；单色仪波长位置光电开关MIN、MAX以及偏振片位置开关0-DEG连接，依据光电开关的输出信号高低电平，来判断探测器、样品台、滤色片、偏振片以及单色仪的位置与状态。光电开关的工作原理已在前面论述。

探测器光电开关0-DEG与90-DEG的工作方式为：计算机发出探测器测试命令后，探测器步进电机先往一个方向转，当探测器转臂上的光开关挡板切断某一光电开关时比如0-DEG开关，该开关输出低电平，计算机经I／O口接收到该信息后停止电机转动同时将此位置定为探测器的0度位置，进而确定计算探测器的测试工作应该在的位置所对应的步进电机所应该转动的步数，然后发命令，经I／O口，光电隔离以及“步进电机驱动与运动状态控制电路模块”，探测器驱动板，驱动探测器电机转动。90-DEG开关是冗余开关，用于控制探测器的极限位置，以避免探测器运动失控。

本发明的优点是：

1)该光谱检测仪采用了转动的样品平台和围绕样品台转动的光电探测器，能够测试不同入射、出射角度的光谱特性；

2)采用了偏振器，可以通过旋转偏振器的角度改变测试光束的偏振方向，能够测量不同的偏振光的光谱特性；

3)在光电探测器前采用了积分球，使得光线从不同方向进入积分球的都得到相同的测量结构，从而消除了由于厚样品引起光线偏折所产生的探测器上光信号和实际光信号的差异，使仪器可以准确测量较厚光学器件的光谱特性(样器的厚度可厚达120mm)；

4)该仪器采用计算机自动控制，能够自动控制单色仪进行波长扫描，自动控制样品台的角度，光电探测器的方位以及测试偏振光状态等。

Claims (4)

1．液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪，其特征在于：

1)它依次包括白光光源[1]、透镜[2]、单色仪[3]、准直透镜[4]、滤色片转盘[5]、偏振器[6]，放置被测样品[8]的样品台[7]，由金属积分球[9．4]和光电倍增管[9．1]组成的光电探测器[9]空套在样品台[7]的转轴上；

2)光电探测器[9]中的光电倍增管[9．1]接信号转换与程控放大模块[10]，经A／D采集卡[11]与计算机[15]相连；单色仪[3]、滤色片转盘[5]、偏振器[6]、样品台[7]、光电探测器[9]的位置探测与反馈电路[13]接步进电机驱动与控制模块[12]，经I／O卡[14]与计算机[15]相连。

2．根据权利要求1所述的液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪，其特征在于：

1)信号转换与程控放大模块[10]的J1脚、B1脚分别接A／D采集卡[11]和光电倍增管[9．1]的一端，信号转换与程控放大模块[10]的J2脚和高压模块[17]的J3脚接电源，高压模块[17]的B2脚、J4脚分别接光电倍增管[9．1]的另一端和样品池门开关[16]；

2)步进电机驱动与控制模块[12]的P1、P2脚分别接I／O卡和电源；P3、P4脚分别接光电探测器位置传感光电开关0-DEG和90-DEG；P5、P6脚分别接滤色片转盘位置传感光电开关L和H；P7、P8脚分别接单色仪波长位置传感光电开关M1N和MAX；P9脚接样品台位置传感光电开关0-DEG；P10脚接偏振片位置传感光电开关0-DEG；J1、J2、J3、J4、J5脚分别接样品台电机[7．1]、偏振片电机[6．1]、探测器电机[9．5]、滤色片电机[5．1]和单色仪电机[3．1]；X1、Y1脚，X2、Y2脚，X3、Y3脚，X4、Y4脚，X5、Y5脚分别接样品台驱动模块[7．2]，偏振片驱动模块[6．2]，光电探测器驱动模块[9．6]，滤色片驱动模块[5．2]和单色仪驱动模块[3．2]。

3．根据权利要求1所述的液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪，其特征在于：光电探测器[9]包括内涂有反光层氧化镁涂层[9．3]的金属积分球[9．4]，金属积分球[9．4]的一端能接收测量光束，另一端经漫射板[9．2]接光电倍增管[9．1]。

4．根据权利要求1或2或3所述的液晶投影机中的分色合色元件的光谱检测仪，其特征在于：光电倍增管[9．1]为GDB-159，信号转换与程控放大模块[10]为AK002，步进电机驱动与控制模块[12]为BK201，样品池门开关[16]和位置传感光电开关为GK151，高压模块[17]为WG956，驱动模块为BQ201。

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