CN202133532U - 积分球涂层反射特性测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种积分球涂层反射特性测量系统，包括用于测量光谱的光谱仪、积分球、用于处理数据并显示测量结果的计算机，光谱仪与积分球上第一接口光学连接，光谱仪与计算机通信连接，该系统还包括工作稳定且能发出连续光谱的标准灯、经过人眼视觉函数V(λ)修正的照度探头、测量仪，标准灯位于积分球内，测量仪通过照度探头与积分球的第一接口光学连接，测量仪与计算机通信连接，积分球内标准灯与第一接口之间设有可拆卸或调整位置的遮光板。

Description

积分球涂层反射特性测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种光辐射测量测量领域，特别是一种积分球涂层反射特性测量系统。

背景技术

在光辐射测量领域，光通量是描绘光源最重要的基础参数之一。测量光源光通量的方法通常有2种：分光光度法与积分法。分光光度法理论上测量精度较高，但所需设备与场地要求高、造价贵、操作复杂、测量所需时间长。积分法所需设备相对简单、占地面积小、操作简单、测量快捷，因而被广泛运用。

积分法测量光通量通常由一台积分球、一只经过人眼视觉函数V(λ)校正的光电转换器、一台用以处理光电转换器的信号的测试仪、一只光通量标准灯组成。测量方式是对比法，具体地说，就是把已知光通量值的标准灯放入积分球内，从测试仪中读取数据，然后取出标准灯，放入被测光源，再读取数据，即可用对比法计算出被测光源的光通量。

使用该方法主要的缺点是误差比较大。误差来源主要有2个：一是光电转换器的V(λ)参数修正不理想，二是积分球内光学涂层的反射率不一致。

用于测量光通量的光电转换器通常由几片特殊的滤色片和一片集成硅光二极管组成。由于滤色片和硅光二极管都有各自的光谱响应函数，做成一体的光电转换器很难修正成与理想的人眼视觉函数V(λ)一致，因此导致了测量误差。随着技术的进步，人们引入了光谱仪作为辅助装置用来校正由于光电探测器V(λ)修正不理想而产生的误差，这大大提高了测量准确度。这种方法就是通常所称的“光谱法测量光通量”的方法，这种测量方法现在已写入了相关国家标准。

而由于积分球内光学涂层的反射特性不一致所造成的误差也是非常大的。特别是近年来由于LED照明的快速发展，对LED光通量的测试方法文献上有很多，但大家都无法有效地解决由于积分球涂层所引起的误差。例如，当使用一个国内知名积分球厂家的刚刚出厂的新球对一颗蓝光LED进行测量，由于积分球涂层反射率不一致造成的误差会大于5％，而用一个使用了5年的旧积分球测量时，误差大于20％。这样的测量精度对于科技发展的现在，是不能忍受的，也制约了LED行业的健康发展。

对于新积分球，国内厂家的涂层反射率ρ(λ)一般设计在90％-98％之间；对于某个特定积分球来说，在整个光谱范围内ρ(λ)也会有变化。假设某一波长的ρ(λ₁)＝95％，另一波长的ρ(λ₂)＝96％，根据公式：T(λ)＝ρ(λ)/(1-ρ(λ))，那么积分球等效透过率在λ₁波长处为T(λ₁)＝19，在λ₂波长处为T(λ₂)＝24，也就是说，涂层反射率在这里相差1％，等效透过率T(λ)相差20％以上。而影响光通量测试的误差来源最终取决于积分球等效透过率T(λ)。

新积分球内部涂层的光谱响应还是比较平坦的，而随着积分球使用时间的增加，积分球表面涂料会缓慢发生物理与化学变化，这也就是通常所说的积分球泛黄；同时积分球内壁上也会逐步粘上一些灰尘，这些灰尘在喷涂成颗粒状的涂层上很难清除。这些因素进一步加剧了涂层反射率ρ(λ)的变化与不一致性，相应地测量误差会进一步增大。

目前，在LED测量的相关国际与国内标准上，对于使用积分球测量光通量已给出修正公式。修正公式中包含积分球等效透过率T(λ)这个参数，通常来说，T(λ)参数由ρ(λ)参数计算得到。如果对积分球涂层反射率ρ(λ)随时能进行精确测量，就能修正测量结果，以达到高精度测量的目的。

现在测量积分球涂层ρ(λ)的传统方法是对比法。选用一块已知反射率的标准白板作为基准，使用一束光分别照射在被测涂层与标准白板上，再使用相应的仪器测量出反射值，这样就可以计算出积分球涂层的反射率了。这种测量方法对仪器要求高，测量准确度也偏低，缺乏实用价值，因此也无法有效地对光通量测量结果进行修正。因此，一般情况下，当积分球使用一定年限后，光通量测量准确度会进一步降低，此时，就应该更换积分球了。

发明内容

本实用新型的目的就是为了避免背景技术中的不足之处，提供一种积分球涂层反射特性测量系统。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：积分球涂层反射特性测量系统，包括用于测量光谱的光谱仪、积分球、用于处理数据并显示测量结果的计算机，光谱仪与积分球上第一接口光学连接，光谱仪与计算机通信连接，该系统还包括工作稳定且能发出连续光谱的标准灯、经过人眼视觉函数V(λ)修正的照度探头、测量仪，标准灯位于积分球内，测量仪通过照度探头与积分球的第一接口光学连接，测量仪与计算机通信连接，积分球内标准灯与第一接口之间设有可拆卸或调整位置的遮光板。

对于本实用新型的一种优化，它还包括光路转换器，所述积分球的外壁上还设有第二接口，标准灯映射出的直射光可直接照射在第二接口上，第二接口通过第一光纤与光路转换器光学连接，第一接口通过第二光纤与与光路转换器光学连接，光路转换器通过光纤与光谱仪光学连接。

本实用新型通过遮光板与球体的活动连接或可拆卸连接，可以对光源先后进行二次测量，就是使光学传感器直接接受光源的直射光与不接受光源的直射光各测量一次，从而测得积分球涂层反射率ρ(λ)、积分球相对等效透过率TX(λ)、积分球等效透过率T(λ)，进而修正光辐射测量中的误差，达到精确测量的目的。

附图说明

图1是遮光板可拆卸或调整位置的积分球涂层反射特性测量系统的原理示意图。

图2是测量B(λ)的原理示意图。

图3是测量C(λ)的原理示意图。

图4是增设第二接口的积分球涂层反射特性测量系统的原理示意图。

图5是光学暗箱测量系统I的原理示意图。

图6是光学暗箱测量系统II的原理示意图。

具体实施方式

实施例1：参照图1～3。积分球涂层反射特性测量系统，包括用于测量光谱的光谱仪2、积分球10、用于处理数据并显示测量结果的计算机1，光谱仪2与积分球10上第一接口7光学连接，光谱仪2与计算机1通信连接，该系统还包括工作稳定且能发出连续光谱的标准灯9、经过人眼视觉函数V(λ)修正的照度探头6、测量仪3，标准灯9位于积分球10内，测量仪3通过照度探头6与积分球10的第一接口7光学连接，测量仪3与计算机1通信连接，积分球10内标准灯9与第一接口7之间设有可拆卸或调整位置的遮光板8。

实施例2：参照图1～3，。积分球涂层反射特性测量方法，包括以下步骤：

a)标准灯9通电点亮，通过遮光板8挡住标准灯9映射出的直射光以避免其直接照射在第一接口7上，此时读取光谱仪2内的A/D值为B(λ)，读取测量仪3测定的照度值E，然后拆除或调整遮光板8，使标准灯9映射出的直射光直接照射在第一接口上，此时读取光谱仪2内的A/D值为C(λ)，将B(λ)、C(λ)输入计算机1，计算机1通过公式：A(λ)＝C(λ)-B(λ)，计算得出A(λ)；已知B(λ)与A(λ)后，计算机1通过以下公式：

$T_X\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{B\left(\mathrm{\λ}\right)}{A\left(\mathrm{\λ}\right)}$

计算出积分球的相对等效透过率T_X(λ)；

b)假设Φ(λ)＝K₁×P(λ)×V(λ)，积分球的波长测量范围为380-780nm，

则计算机按照以下公式计算得出系数K₁：

$\mathrm{\Φ}={\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_{380}^{780}{K}_1\×P\left(\mathrm{\λ}\right)\×V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

式中：Φ(λ)为标准灯9的光通量，Φ为标准灯9的总光通量；P(λ)为已知的相对光谱功率分布；V(λ)为已知的人眼视觉函数；K₁为一个系数；

将系数K₁代入Φ(λ)＝K₁×P(λ)×V(λ)中，由计算机1计算得出Φ(λ)；

假设T(λ)＝K×T_X(λ)，则计算机1按照以下公式计算得出系数K：

$K=\frac{E\×{4\mathrm{\πR}}^2}{{\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×T_X\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

式中：E(λ)为积分球壁的照度；T(λ)为积分球10的等效透过率；TX(λ)为积分球10的相对等效透过率；Φ(λ)为标准灯9的光通量；E为标准灯9的照度值；R为积分球10的半径；K为一个系数；

将系数K代入公式T(λ)＝K×T_X(λ)中，计算得出积分球10的等效透过率T(λ)；

计算机1根据以下公式计算得出积分球涂层反射率ρ(λ)：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{T\left(\mathrm{\λ}\right)}{1+T\left(\mathrm{\λ}\right)}$

上述积分球10的波长测量范围不仅包括380nm～780nm的可见光，还包括波长范围大于780nm的红外光波段和波长范围为4～380nm的紫外光波段。

实施例3：参照图4。在实施例1的基础上，积分球涂层反射特性测量系统还包括光路转换器，所述积分球10的外壁上还设有第二接口11，标准灯9映射出的直射光可直接照射在第二接口上，第二接口11通过第一光纤12与光路转换器5光学连接，第一接口7通过第二光纤13与与光路转换器5光学连接，光路转换器5通过光纤4与光谱仪2光学连接。

实施例4：参照图4。在实施例1的基础上，步骤a)中的标准灯9通电点亮，标准灯9映射出的直射光由于遮光板8挡住，导致其不能直接照射到第一接口7上，第一接口7通过第二光纤13将光信号传递至光路转换器5，并由光路转换器5通过光纤4导入光谱仪2，此时读取光谱仪2内的A/D值为B(λ)；标准灯1映射出的直射光直接照射在第二接口11上，第二接口11通过第一光纤12将光信号传递至光路转换器5，并由光路转换器5通过光纤4导入光谱仪2，此时读取光谱仪2内的A/D值为C(λ)。

实施例5：参照图5。A(λ)可以通过光学暗箱测量系统I直接测量得出，所述光学暗箱测量系统I包括光学暗室15，光学暗室15内设有支架14、光谱仪2和计算机1，支架14右侧架设有标准灯9，支架14左侧架设有接口7，该接口7与光纤4一端光学连接并对准标准灯9，使光纤4可直接接受标准灯9点亮后发出的直射光，光纤4的另一端与光谱仪2光学连接，光谱仪2与计算机1通信连接。通电点亮标准灯9后，直接读取光谱仪2的A/D值即为A(λ)。

实施例6：参照图6。A(λ)还可以通过光学暗箱测量系统II直接测量得出，所述光学暗箱测量系统II包括一个相应尺寸的光学暗箱15，光学暗箱15内右侧壁上设有标准灯9，其左侧壁上设有于标准灯9对准的接口7，该接口7与光纤4光学连接，光纤4的另一端与光谱仪2光学连接，光谱仪2与计算机1通讯连接。通电点亮标准灯9后，直接读取光谱仪2的A/D值即为A(λ)。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本实用新型的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本实用新型设计思路的简单文字描述，而不是对本实用新型思路的限制，任何不超出本实用新型设计思路的组合、增加或修改，均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种积分球涂层反射特性测量系统，包括用于测量光谱的光谱仪、积分球、用于处理数据并显示测量结果的计算机，光谱仪与积分球上第一接口光学连接，光谱仪与计算机通信连接，其特征是：该系统还包括工作稳定且能发出连续光谱的标准灯、经过人眼视觉函数V(λ)修正的照度探头、测量仪，标准灯位于积分球内，测量仪通过照度探头与积分球的第一接口光学连接，测量仪与计算机通信连接，积分球内标准灯与第一接口之间设有可拆卸或调整位置的遮光板。

2.根据权利要求1所述的积分球涂层反射特性测量系统，其特征是：它还包括光路转换器，所述积分球的外壁上还设有第二接口，标准灯映射出的直射光可直接照射在第二接口上，第二接口通过第一光纤与光路转换器光学连接，第一接口通过第二光纤与与光路转换器光学连接，光路转换器通过光纤与光谱仪光学连接。

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