CN220853864U - 一种可变光谱标准光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可变光谱标准光源，涉及光学计量技术领域。该装置包括：上位机、主控制器、积分球壳、LED灯珠、A光源灯泡、制冷模块、温度探头、LED模组散热基板、第一挡板、第二挡板、第三挡板以及光谱仪探头，主控制器与上位机通讯连接；LED电流控制器与LED灯珠连接，直流稳流电源与A光源灯泡连接，制冷模块控制器与制冷模块连接，温度模块与温度探头连接，光谱采集模块与光谱仪探头连接；积分球壳上设置有出光口；第一挡板、第二挡板以及第三挡板均设置在积分球壳内部。通过增加一颗独立的LED灯珠和一个A光源灯泡，使其可以达到较大的亮度，提升动态范围；电源和光源采取分体式设计，提升光源便携性。

Description

一种可变光谱标准光源

技术领域

本实用新型涉及光学计量技术领域，具体涉及一种可变光谱标准光源。

背景技术

传统标准光源一般是单一一种光源，如标准A光源(卤素灯)、氙灯光源、LED光源等，只能输出一种光谱或一类光谱(如可变色温LED光源，仅可调整红绿光和蓝光的比例进行色温调整)，为了让一个光源可以输出更多光谱，例如使用一个光源产生A光源、C光源、D65光源、等能E光源等光谱类型完全不同的光源，目前普遍采用的方法为：使用不同波长的多颗LED灯珠，一般含有十几个到几十个不同峰值波长的单波长窄带宽LED灯珠，这些不同LED灯珠的光谱可以覆盖某一段波长范围，例如380nm～1000nm，这样，通过调整不同LED灯珠的电流，来控制不同LED灯珠的光谱幅值，然后对这些LED灯珠的光谱进行混光(一般通过积分球进行混光)，通过一台光谱仪测量其混光后的光谱，然后与目标光谱的比对和拟合，进行反馈调节，可以得到接近目标光谱的光源，这样可以使用一个含有多种波长的多颗LED灯珠的模组进行混光，产生需要的任意目标光谱的光源(实际上仅能近似匹配，匹配程度与目标光谱形状、LED灯珠的波长组合有关)。

但是上述方案存在以下问题：

(1)输出亮度较低，主要是以下两方面造成的，首先，单波长窄带宽的LED灯珠的发光本身较低，这样即使已经使用较大的电功率，输出的光信号强度依旧不够强，另外，采用多颗LED灯珠光谱拟合的方法，使大部分LED无法工作在额定电流下，一般低于额定电流，进一步限制了亮度的提高，例如目前同类产品的输出亮度一般不超过5000cd/m2(匹配D65光源时)，如果需要增加亮度，需要缩小积分球尺寸，或者增加LED灯珠模组的电功率，缩小积分球尺寸会降低漫射性和均匀性，增加LED灯珠模组的电功率会增加散热难度，降低稳定性。

(2)输出亮度稳定性较差，主要是以下原因造成的，首先，LED光源自身的亮度会随着温度升高而降低，而且LED光源自身会发热，导致短期亮度稳定性差，一般预热20分钟后，每小时亮度变化率也会达到2％；其次，LED光源存在光衰，且不同波长的LED的光衰曲线是不同的，而且此类光源中不同LED灯珠的工作的电流也是不同的，造成衰减比例不同，导致长期亮度稳定性差，为了解决此问题，可以通过光谱仪进行监视并进行反馈调节，但是一般光谱仪的长期稳定性并不好，年变化率在4％～10％，甚至更差，光谱仪的漂移也会导致光源的长期稳定性差。

因此，需要提供一种标准光源，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种可变光谱标准光源，以解决改善标准光源性能的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种可变光谱标准光源，标准光源包括：上位机、主控制器、积分球壳、LED灯珠、A光源灯泡、制冷模块、温度探头、LED模组散热基板、第一挡板、第二挡板、第三挡板以及光谱仪探头，

主控制器与上位机通讯连接，主控制器包括LED电流控制器、直流稳流电源、制冷模块控制器、温度模块以及光谱采集模块；

LED电流控制器与LED灯珠连接，直流稳流电源与A光源灯泡连接，制冷模块控制器与制冷模块连接，温度模块与温度探头连接，光谱采集模块与光谱仪探头连接；

积分球壳上设置有出光口，LED灯珠和A光源灯泡分别独立设置在积分球壳的壳壁上，并且LED灯珠和A光源灯泡的出光方向均朝向出光口，LED灯珠包括一颗白光LED子灯珠和多颗不同波长的LED子灯珠，LED模组散热基板与LED灯珠接触设置，制冷模块紧靠LED模组散热基板设置，制冷模块用于对LED模组散热基板进行制冷，温度探头设置在制冷模块与LED模组散热基板之间，温度探头用于感测LED模组散热基板的温度；

第一挡板、第二挡板以及第三挡板均设置在积分球壳内部，第一挡板用于将来自A光源灯泡的光漫射掉，第二挡板用于防止来自LED灯珠的光直射出光口，光谱仪探头设置在出光口的一侧，第三挡板用于增加光谱仪探头接收的光的漫射性。

可选地，标准光源还包括一个外壳，积分球壳设置在外壳的内部，出光口穿过外壳上开口出光，主控制器设置在外壳的外部。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供的装置包括：可变光谱标准光源，标准光源包括：上位机、主控制器、积分球壳、LED灯珠、A光源灯泡、制冷模块、温度探头、LED模组散热基板、第一挡板、第二挡板、第三挡板以及光谱仪探头，主控制器与上位机通讯连接，主控制器包括LED电流控制器、直流稳流电源、制冷模块控制器、温度模块以及光谱采集模块；LED电流控制器与LED灯珠连接，直流稳流电源与A光源灯泡连接，制冷模块控制器与制冷模块连接，温度模块与温度探头连接，光谱采集模块与光谱仪探头连接；积分球壳上设置有出光口，LED灯珠和A光源灯泡分别独立设置在积分球壳的壳壁上，并且LED灯珠和A光源灯泡的出光方向均朝向出光口，LED灯珠包括一颗白光LED子灯珠和多颗不同波长的LED子灯珠，LED模组散热基板与LED灯珠接触设置，制冷模块紧靠LED模组散热基板设置，制冷模块用于对LED模组散热基板进行制冷，温度探头设置在制冷模块与LED模组散热基板之间，温度探头用于感测LED模组散热基板的温度；第一挡板、第二挡板以及第三挡板均设置在积分球壳内部，第一挡板用于将来自A光源灯泡的光漫射掉，第二挡板用于防止来自LED灯珠的光直射出光口，光谱仪探头设置在出光口的一侧，第三挡板用于增加光谱仪探头接收的光的漫射性。本申请通过增加一颗独立的LED白光大功率灯珠和一个A光源灯泡，使其可以在一些场合达到较大的亮度，且该灯珠和灯泡也可以参与目标光谱的拟合，提升动态范围；增加半导体制冷芯片进行控温，提升短期亮度稳定性；使用A光源灯泡对光谱仪进行自校准，提升长期亮度稳定性；电源和光源采取分体式设计，提升光源便携性，使光源可以安装在较小的空间内。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例提供的可变光谱标准光源的结构示意图。

附图标记：1-上位机；2-主控制器；21-LED电流控制器；22-直流稳流电源；23-制冷模块控制器；24-温度模块；25-光谱采集模块；3-连接线和信号传输线；4-外壳；5-制冷模块；6-温度探头；7-LED模组散热基板；8-LED灯珠；9-A光源灯泡；10-第一挡板；11-第二挡板；12-积分球壳；13-第三挡板；14-光谱仪探头；15-出光口。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型提供了一种可变光谱标准光源，标准光源包括：上位机1、主控制器2、积分球壳12、LED灯珠8、A光源灯泡9、制冷模块5、温度探头6、LED模组散热基板7、第一挡板10、第二挡板11、第三挡板13以及光谱仪探头14，主控制器2与上位机1通讯连接，主控制器2包括LED电流控制器21、直流稳流电源22、制冷模块控制器23、温度模块24以及光谱采集模块25；LED电流控制器21与LED灯珠8连接，直流稳流电源22与A光源灯泡9连接，制冷模块控制器23与制冷模块5连接，温度模块24与温度探头6连接，光谱采集模块25与光谱仪探头14连接；积分球壳12上设置有出光口15，LED灯珠8和A光源灯泡9分别独立设置在积分球壳12的壳壁上，并且LED灯珠8和A光源灯泡9的出光方向均朝向出光口15，LED灯珠8包括一颗白光LED子灯珠和多颗不同波长的LED子灯珠，LED模组散热基板7与LED灯珠8接触设置，制冷模块5紧靠LED模组散热基板7设置，制冷模块5用于对LED模组散热基板7进行制冷，温度探头6设置在制冷模块5与LED模组散热基板7之间，温度探头6用于感测LED模组散热基板7的温度；第一挡板10、第二挡板11以及第三挡板13均设置在积分球壳12内部，第一挡板10用于将来自A光源灯泡9的光漫射掉，第二挡板11用于防止来自LED灯珠8的光直射出光口，光谱仪探头14设置在出光口15的一侧，第三挡板13用于增加光谱仪探头14接收的光的漫射性。

可选地，标准光源还包括一个外壳4，积分球壳12设置在外壳4的内部，出光口15穿过外壳4上开口出光，主控制器2设置在外壳4的外部。

在实际操作中，(1)打开上位机1和主控制器2后，首先确定是否需要自检，如果需要自校准，通过直流稳流电源22点亮A光源灯泡9，预热完成后(一般为15分钟，可设置为其他时间)，通过上位机1读取光谱仪采集模块25的数据，与标准数据进行比对校准，若无需自校准，则进入下一步。(2)自校准完成后或者无需自校准时，首先设定目标光谱，如果是A光源或者D65的LED光源，直接启动对应的光源，若强度达不到要求，启动其他各波长的LED灯珠进行匹配。(3)匹配完成后，开始预热，预热完成后(一般为15～30分钟，可以设置)，读取温度探头6的温度并记录，记为T0，然后启动制冷模块5，将温度降为(T0-δ)℃，δ通常取2～4，也可以设置为其他温度，达到目标温度±0.1℃时，停止制冷，每隔一段时间(10秒左右，可设置)读取一次温度模块6的温度，若温度达到目标温度+1℃，则启动制冷模块5将温度降为(T0-δ)℃，重复以上步骤直至使用结束。(4)第一挡板10的作用为将A光源灯泡的光漫射掉，增加光源漫射性，第二挡板11的作用为防止LED灯珠8的光直射出光口，并将光散射掉，增加光源漫射性，第三挡板13的作用为增加光谱仪探头14接受的光的漫射性，防止直射光的干扰；积分球壳13内部涂白色漫反射涂层。

本申请通过增加一颗独立的LED白光大功率灯珠和一个A光源灯泡(卤素灯)，使其可以在一些场合达到较大的亮度，例如需要模拟LED光源或者A光源时可以直接启动相应的光源，然后与其他LED灯珠的组合叠加，较大的提升输出亮度；且该灯珠和灯泡也可以参与其他目标光谱的拟合，提升动态范围，而且多两个可控通道可以提升拟合的光谱匹配度；例如增加一个6500K的50WLED灯泡和一个50W的A光源灯泡，在模拟6500K白光时可以使亮度达到60000cd/m2以上，在模拟A光源时可以是亮度达到10000cd/m2以上，达到较高的亮度范围(亮度具体值与积分球尺寸、涂层、内部挡板结构、出光口大小均有关系，这里假设积分球尺寸为8英寸，出光口为2英寸，使用反射率＞98％的漫反射涂层，若缩小积分球尺寸，可以获得更高的亮度范围)。

本申请通过增加半导体制冷芯片进行控温，提升短期亮度稳定性；一般正常对流散热的LED光源预热完成后的亮度变化率为1％/h，若将温度控制在1℃范围内，则短期亮度变化率会提升至优于0.2％/h。一般LED灯珠点亮时，由于自身产热，会提高温度，LED灯珠温度会高于环境温度，同时对流散热能力增加，当LED灯珠产生的温度与对流散热能力相当时，温度会达到一个平衡点，即热平衡状态，此状态与环境温度、空气流动、散热结构均有关系，容易受到影响，导致温度波动，而LED的亮度与温度关系较大，温度波动时，LED的亮度会随之波动，因此增加温度探测和半导体制冷，当LED达到热平衡时，通过半导体制冷将LED的温度降低一小部分(例如2～4℃)，并记录该监测点，然后监测LED的温度，一旦LED升温超过1℃，再次启动降温至监测点，以此达到LED的温度稳定。

本申请通过使用A光源灯泡(卤素灯)对光谱仪进行自校准，提升长期亮度稳定性；LED灯珠和光谱仪的长期稳定性都不好，但是A光源灯泡在使用直流稳流电源供电时可以达到非常高的长期稳定性，可以每隔一段时间使用该A光源灯泡对光谱仪校准，保障光谱仪量值的长期稳定性，由于LED光源的输出是通过光谱仪监视和反馈控制的，这样可以提升LED光源的长期稳定性；具体地，一般光谱仪的年变化率为4％～10％甚至更高，由于LED的输出是由光谱仪监视和反馈控制的，导致LED的长期稳定性会比光谱仪更差，而A光源灯泡的年稳定性一般在1％左右，如果可以定期使用A光源对光谱仪自校准，可以轻松将LED光源的年变化率提升至优于2％。

本申请通过电源部分和光源部分采取分体式设计，提升光源便携性，使得光源可以安装在较小的空间内。整个可变光源光谱系统中，光源的体积通常占据1/2甚至更高，而实际使用的部分为光源部分，如果将光源与电源分开设计，则光源部分可以放入产线等较小的环境中，而且电源部分和光源部分采用模块化设计，可以直接更换其他尺寸的积分球，适用于更多的场合。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可变光谱标准光源，其特征在于，所述标准光源包括：上位机、主控制器、积分球壳、LED灯珠、A光源灯泡、制冷模块、温度探头、LED模组散热基板、第一挡板、第二挡板、第三挡板以及光谱仪探头，

所述主控制器与所述上位机通讯连接，所述主控制器包括LED电流控制器、直流稳流电源、制冷模块控制器、温度模块以及光谱采集模块；

所述LED电流控制器与所述LED灯珠连接，所述直流稳流电源与所述A光源灯泡连接，所述制冷模块控制器与所述制冷模块连接，所述温度模块与所述温度探头连接，所述光谱采集模块与所述光谱仪探头连接；

所述积分球壳上设置有出光口，所述LED灯珠和所述A光源灯泡分别独立设置在所述积分球壳的壳壁上，并且所述LED灯珠和所述A光源灯泡的出光方向均朝向所述出光口，所述LED灯珠包括一颗白光LED子灯珠和多颗不同波长的LED子灯珠，所述LED模组散热基板与所述LED灯珠接触设置，所述制冷模块紧靠所述LED模组散热基板设置，所述制冷模块用于对所述LED模组散热基板进行制冷，所述温度探头设置在所述制冷模块与所述LED模组散热基板之间，所述温度探头用于感测所述LED模组散热基板的温度；

所述第一挡板、所述第二挡板以及所述第三挡板均设置在所述积分球壳内部，所述第一挡板用于将来自所述A光源灯泡的光漫射掉，所述第二挡板用于防止来自所述LED灯珠的光直射出光口，所述光谱仪探头设置在所述出光口的一侧，所述第三挡板用于增加所述光谱仪探头接收的光的漫射性。

2.根据权利要求1所述的可变光谱标准光源，其特征在于，所述标准光源还包括一个外壳，所述积分球壳设置在所述外壳的内部，所述出光口穿过所述外壳上开口出光，所述主控制器设置在所述外壳的外部。