TWI485369B - Beam parallelism measuring device - Google Patents

Description

光束平行度測定裝置

本發明，係有關於對於光束之平行度作測定的光束平行度測定裝置。

從先前技術起，便週知有將具備與太陽光同等之頻譜的光輻射出來之太陽模擬裝置(擬似太陽光照射裝置)，並廣泛地被利用在太陽電池之特性評價中。在進行太陽電池之特性評價時，係有必要對於該太陽電池之面板面的全範圍來均等地照射光。因此，太陽電池特性評價用之太陽模擬裝置，係成為將照射光之光束作空間性之分散並平行光化，而對於太陽電池之面板面的全區域作照射。

另外，在太陽模擬裝置之光源中，通常，係並非使用如同雷射光源一般之內聚(coherent)光源，而是使用氪燈管等之非內聚(incoherent)光源。當光源為內聚光源的情況時，係能夠使用週知之干涉計來對光束之平行度作測定，但是，當如同非內聚光源一般之在平行度上具備有擴散的情況時，係難以藉由週知之干涉計來對於光束之平行度作測定。

因此，近年來，係提案有下述一般之技術：亦即是，在使擬似太陽光通過帶通濾波器以及光孔(aperture)後，在沿著光軸之複數點處而對於光束之剖面寬幅作測定，並藉由此來對於較大之光束的擴散角作測定。(例如，參考專利文獻1)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2008-89526號公報

然而，在先前技術中，由於係需要在光束之沿著光軸的複數場所處作測定，因此，係有著在測定中會耗費時間的問題。

本發明，係為有鑑於上述之事態所進行者，其目的，係在於提供一種：能夠以少數之測定次數來將從非內聚(incoherent)光源所輻射出之光束的平行度測定出來之光束平行度測定裝置。

為了達成上述目的，本發明，係提供一種光束平行度測定裝置，其特徵為，具備有：成像光學系，係將光束中所包含之各光線成分，在從前述光軸而離開了與相對於光軸之入射角度相對應的距離之位置處而作成像；和檢測器，係檢測出前述光束之成像位置，該光束平行度測定裝置，並具備有：解析手段，係將從前述光軸起直到前述成像位置為止之距離，變換為前述入射角度，並將前述光束中所包含之光線成分的入射角度分布輸出。

又，本發明，在上述光束平行度測定裝置中，係具備有下述特徵：亦即是，前述檢測器，係檢測出前述成像位置之光強度，前述解析手段，係將光強度與每一入射角度附加對應，並將前述入射角度分布作輸出。

又，本發明，在上述光束平行度測定裝置中，係具備有下述特徵：亦即是，前述成像光學系，係將前述各光線成分，在特定之平面上來分別成像於從前述光軸而離開了與入射角度成正比之距離的位置處。

又，本發明，在上述光束平行度測定裝置中，係具備有下述特徵：亦即是，前述成像光學系，係將朝向前述特定平面上之主光線設為與前述光軸相平行。

若依據本發明，則由於光束中所包含之各光線成分的相對於光軸之入射角度的分布係被作輸出，因此，能夠藉由1次之測定，而將相對於該光軸之光束的平行度和其分布一併獲得之。

以下，參考圖面，針對本發明之實施形態作說明。

圖1，係為對於本實施形態的光束平行度測定裝置1之構成作模式性展示的圖。

本實施形態之光束平行度測定裝置1，係對於從太陽模擬裝置3所照射而來之光束9的平行度作測定。太陽模擬裝置3，係具備有輻射出波長帶域為與太陽光同等寬廣程度的光之例如氪燈管等的非內聚性之光源4、和將光源4之輻射光平行光化之平行光化光學系6、和使輻射光之空間性強度分布成為均一之例如蠅眼透鏡等的均質器(Homogenizer)8，而將較大之剖面積的光束9作為擬似太陽光來射出。另外，於同圖中，雖係在平行光化光學系6之後段而配置有均質器8，但是，均質器8，通常係被配置在平行光化光學系6之配列中。

光束平行度測定裝置1，係具備有感測頭10、和解析裝置12、以及顯示裝置14。感測頭10，係為被配置在太陽模擬裝置3之擬似太陽光(波長300nm～2000nm)之照射對象的設定位置處並將光檢測出來者，並具備有濾波部16、和開口光圈環18、和透鏡部20、及二維檢測器22。

濾波部16，係為將ND濾鏡以及色調修正濾鏡作重疊組合所構成者。ND濾鏡，係為減光濾鏡，並防止在二維檢測器22處之檢測強度的飽和。色調修正濾鏡，係將光束9之頻譜分布因應於二維檢測器22之波長感度特性來作修正，並防止在每一波長處之檢測的參差不均。

開口光圈環18，係對於朝向二維檢測器22之入射光量作調整，並且對於入射至二維檢測器22之光束9的剖面內之範圍作規定。亦即是，藉由開口光圈環18，光束平行度測定裝置1之空間解析度(可測定之最小面積)係被作規定。在本實施形態中，感測頭10之視野角，係以成為以後述之透鏡部20的光軸K為中心之±5度之圓形視野角的方式，而構成之。

透鏡部20，係為在與入射光線24之入射角度θ相對應的位置處而作成像之成像光學系。更具體而言，透鏡部20，係如圖2中所示一般，以使相對於透鏡部20之光軸K的入射光線24之入射角度θ和成像位置P之與光軸K所相距之距離L間的關係成為滿足以特定函數f(θ)所規定之關係，並且至少在上述圓形視野角之範圍內而成像位置P為並不依存於入射光線24之對於透鏡部20的入射位置地來僅藉由入射角度θ而被作決定的方式，來對於透鏡部20之歪曲像差特性作考慮並作光學性設計。藉由此，能夠根據上述特定函數f(θ)之逆函數，而藉由演算來從成像位置P而求取出入射角度θ。

在本實施形態中，透鏡部20，係以滿足函數f(θ)=aθ(但是，a係為比例定數)之關係的方式，而被作光學性設計，藉由此，而構成為若是入射角度θ變得越大則會與該入射角度θ成正比地來使成像位置P之與光軸K間相距的距離L變得越大。

該透鏡部20，係作為等向性之光學系而被構成，並在與入射光線24之入射方向相對應的方向上而從光軸K離開了L=f(θ)的成像位置P處成像。亦即是，根據在檢測面Q處之相對於原點O(K軸)的成像位置P之XY座標值，係能夠將入射光線24之前進方向和入射角度θ一同地檢測出來。

又，透鏡部20，係構成為將成像側之主光線25設為與光軸K相平行之所謂的像側遠心系統光學系。藉由此，就算是由於被測定光束之照射所導致之溫度上升而造成透鏡部20之焦距改變，亦僅會使成像位置P之面積(像)變大，而並不會有該成像位置P之重心位置改變的情況。亦即是，藉由將成像位置P之重心位置(光量最大之點)作為成像位置P來測定，係能夠相對於透鏡部20之溫度上升而恆常維持一定之精確度地來對於光束9之平行度作測定。

二維檢測器22，例如係內藏有CCD影像感測器，並將CCD影像感測器之矩形平面狀的檢測面Q(圖2)內的各位置(像素)處之光強度輸出至解析裝置12處。又，如圖1中所示一般，二維檢測器22，係具備有於底面處而具有平面26之箱體28，並相對於此平面26而將CCD影像感測器之檢測面Q平行地作設置。又，透鏡部20，係以使光軸K相對於檢測面Q而成為垂直的方式來作設置，藉由此些構成，經由將箱體28載置在擬似太陽光之照射對象的照射面(或者是將照射對象作載置之載置面)上，相對於該照射面之透鏡部20的光軸K係被垂直地作定位，並能夠正確地測定出對於該載置面之光束9的平行度。

在感測頭10之中，濾波部16、開口光圈環18以及透鏡部20，係以使相互之光軸成為同一的方式，而作為被一體性地設置在筒狀之箱體上而由光學零件所成之光學單元29來構成之，並將透鏡部20之端部螺合在上述二維檢測器22之箱體28處而可自由裝卸地作設置。藉由將此光學單元29從二維檢測器22卸下並代替此而安裝上功率計，係能夠簡單地測定出總通量(W、1m)。又，亦可藉由將進行了準據於例如NIST(National Institute of Standards and Technology)之校正的功率計安裝在感測頭10上並藉由光束平行度測定裝置1來進行測定，再將二維檢測器22之輸出值和功率計之檢測值之間附加對應，而能夠在此後僅藉由二維檢測器22之輸出值來求取出總通量，並在後述之測定結果輸出畫面40(圖3)中作為光強度來輸出。

解析裝置12，係透過訊號纜線而與感測頭10作連接，並根據從感測頭10之二維檢測器22所輸出之輸出訊號來產生光束9之入射角度分布表C(參考圖3)，而例如輸出至身為輸出裝置之其中一例的顯示裝置14處。

此解析裝置12，係藉由在一般性之構成的電腦裝置中實行用以產生上述入射角度分布表C之程式，而構成之。

圖3，係為對於顯示裝置14之測定結果輸出畫面40作展示之圖。

如同此圖中所示一般，在測定結果輸出畫面40中，係顯示有上述之入射角度分布表C、和色標度條41。

入射角度分布表C，細為將在進行了測定的光束9中所包含之入射角度θ互為相異之各光線成分的入射角度分布作了映射者。又，在此入射角度分布表C中，係經由色調變化來對於在每一入射角度θ處之相對性的光強度作顯示，色調與光強度，係經由上述之色標度條41而被表示。

關於入射角度分布表C之詳細內容，係如同參考圖2所作了說明一般，若是光束9以入射角度θ而入射至感測頭10之透鏡部20中，則由於在該光束9中所包含之各個的光線成分，係在檢測面Q處，而在從光軸K起而朝向與入射方向相對應之方向來離開了與入射角度θ成正比之距離L的成像位置P處作成像，因此，根據成像位置P，係能夠唯一性地求取出入射角度θ，又，根據在成像位置P處之光強度，係能夠在每一入射角度θ處而求取出光強度。此種演算，係藉由上述解析裝置12而進行。

入射角度分布表C，係為了將如此這般所求取出之入射角度θ的分布與該入射角度θ之光線成分的前進方向一同作展示，而作為將原點設為了入射角度θ=0(光軸K)之2維正交座標來作顯示，並且將入射角度之分布在各光強度而以色調作區分來作顯示。

藉由此，在入射角度分布表C中，係成為不僅是在光束9中所包含之光線成分的入射角度θ之大小(亦即是相對於光軸K之平行度)，而亦一併展示有光線成分之前進方向(從光軸K所偏移的方向)和該光線成分之強度。

另外，感測頭10之檢測面Q的像素之配列方向和在入射角度分布表C中之座標軸方向，係被固定，當將檢測面Q上下相反地載置於照射面上的情況時，入射角度分布表C亦會同樣的成為上下作了倒轉之表。亦即是，依存於感測頭10之放置方式，在入射角度分布表C中所出現之光線成分的前進方向係會變得與實際上相異。因此，為了恆常地將檢測面Q相對於照射面而以相同之方向來作載置，係在感測頭10處設置標示出上方向(例如Y軸正方向)的記號，並在對於照射面之複數場所進行測定的情況時，以恆常使此記號朝向相同方向的方式來將感測頭10載置在照射面上，藉由此，而能夠使在各測定場所之測定結果中的光線成分之前進方向相一致，而能夠相互作比較。

另外，相對於光線成分之前進方向的在檢測面Q上之成像位置P的偏移方向，雖然係為相互作1對1的對應者，但是，成像位置P之偏移方向，係並非為代表光線成分的前進方向。亦即是，依存於透鏡部20之方向等，亦會有光線成分之前進方向和在檢測面Q處之成像位置P的偏移方向例如相對於光軸K而顯示為相反方向的情況，於此情況，係亦可產生將該些之各個以一致於同一方向的方式來作了修正的入射角度分布表C。

於此，圖3中所示之入射角度分布表C，係為對於在太陽模擬裝置3所具備之均質器8處而使用了蠅眼透鏡之情況作展示者。因此，光源4之光，係藉由通過蠅眼透鏡而被空間性地離散化，此些之被作了離散化的光線成分之各個的從光軸K之偏移(亦即是平行度)，係出現在入射角度分布表C中。

亦即是，雖然太陽模擬裝置3之照射光係以身為平行光為理想，但是，通常，由於光束在通過均質器8時係被進行有空間性之離散化，因此，在光束9中所包含之光線成分係並不會全部成為平行光束，而是包含著相對於平行光而具有角度之光線成分。因此，在太陽模擬裝置3處，係應依據照射光之平行度為相對於平行光之光束而具備有其以外之角度的光線成分之光束的量或者是角度來作評價。而，若依據本實施形態之光束平行度測定裝置1，則如同圖3之入射角度分布表C中所示一般，由於係為將光束9中所包含之角度相異的光線成分之各別的角度以及相對強度作為分布圖來作展示之構成，因此，係能夠簡單且正確地對於太陽模擬裝置3之照射光的平行度作評價。

又，在本實施形態之測定結果輸出畫面40中，係於入射角度分布表C之中，將能夠作為太陽模擬裝置3之光束9而視為略平行光束之容許範圍作為線42來作標示，而成為能夠一眼望去便對於光束9之平行度的良好與否作評價。

又，在入射角度分布表C中，由於入射角度分度係藉由線性標尺之二維座標來作展示，因此，係能夠直覺性地對於各光線成分之入射角度θ的大小作掌握。此時，如同上述一般，透鏡部20，由於係將在光束9中所包含之各光線成分，在檢測面Q上之從光軸K而離開了與入射角度θ成正比之距離L的成像位置P處作成像，因此，係能夠將解析裝置12之為了把入射角度分布以線性標尺之二維座標來作表現所進行的演算量削減。

圖4，係為擬似太陽光之照射面內的光束平行度測定之說明圖，圖4(A)係對於照射面50和測定場所之關係作展示，圖4(B)係對於藉由在各測定場所處之測定所得到的入射角度分布表C之其中一例作展示。另外，在同圖中，為了避免圖面之繁雜化，係將關於光強度之標尺表示的圖示省略。

當太陽模擬裝置3之擬似太陽光的照射面50較廣的情況時，光束平行度測定，係藉由對於該照射面50之複數的場所作離散性測定，而進行之。如圖4(A)中所示一般，測定場所，係以包含有與太陽模擬裝置3之射出光的光軸中心R相交叉之點T1和以該點T1為中心之周圍的4點T2～T5之各個的方式，來作決定。

於此，當感測頭10之光軸K和在測定點T1～T5處而入射至感測頭10之主光線52的前進方向為略一致的情況時，如同圖4(B)之測定點T1的入射角度分布表C中所示一般，入射角度θ為相異之光線成分的分布之中心，係位置在入射角度分布表C之原點。相對於此，當入射至感測頭10之主光線52的前進方向為從光軸K而偏離的情況時，在主光線52之光線成分的各別之入射角度θ處，由於係被加算有主光線52之前進方向的從光軸K所偏離之偏移角β，因此，例如如同圖4(B)之測定點T2～T5的各入射角度分布表C中所示一般，光線成分之分布的中心S，係成為全體性地從原點(光軸K)來朝向與該光線成分之前進方向相對應的方向而作偏移。

如此這般，入射至感測頭10之主光線52的前進方向之從光軸K所偏離的偏移角β，由於係作為在入射角度分布表C中之從該分布全體之原點的偏移而被檢測出來，因此，藉由在照射面50之各測定點T1～T5處而進行平行度測定，能夠在各點處，而除了光束9中所包含之光線成分的入射角度θ之分布以外，亦對於該光束9(主光線52)之前進方向的偏移角β作掌握。

在主光線52中而產生偏移角β之要素，係可列舉出：照射面50(載置面)之平面度的參差、或者是太陽模擬裝置3所具備之光源4、平行光化光學系6以及均質器8之各個的位置偏移等。藉由根據從入射角度分布表C所得到之偏移角β來對於此些之要素作調整，係能夠涵蓋照射面50之全區域而得到平行度為高之擬似太陽光。

如同以上所說明一般，若依據本實施形態，則由於光束9中所包含之各光線成分的相對於光軸K之入射角度θ的分布係被作輸出，因此，能夠藉由1次之測定，而將相對於該光軸K之光束9的平行度和其分布一併獲得之。

除此之外，若依據本實施形態，則由於係設為在每一入射角度θ處而與光強度附加對應地來將入射角度θ之分布輸出的構成，因此，係能夠使用入射角度θ為大之光線成分的光強度之強弱等來對於光束9之平行度作評價。進而，在入射角度分布表C中，藉由對於在入射角度θ從光軸K而偏離了的位置處是否包含有光強度為強之光線成分一事作判斷，係亦能夠對於漫射光(Stray Light)之存在作掌握。

又，若依據本實施形態，則由於係設為使光線成分之各個在檢測面Q上而於從光軸K偏離了與入射角度θ成正比之距離L的成像位置P處作成像之構成，因此，係能夠藉由簡單的演算，來將能夠對於各光線成分之入射角度θ的大小直覺性地作掌握之線性標尺的分布圖求取出來。

又，若依據本實施形態，則透鏡部20，係構成為將朝向檢測面Q之主光線25設為與光軸K相平行之所謂的像側遠心系統光學系。藉由此構成，就算是透鏡部20由於溫度上升而在成像位置P處產生了失焦，亦僅會使該成像位置P之面積增加，而不會有重心位置改變的情況。藉由此，係能夠相對於透鏡部20之溫度上升而恆常維持一定之精確度地來對於光束9之平行度作測定。

另外，上述之實施形態，係僅為對於本發明之其中一種形態作例示者，在不脫離本發明之趣旨的範圍內，係可作任意之變形以及應用。

例如，當由於太陽模擬裝置3所具備之平行光化光學系6或者是均質器8等而造成在光束9之平行度中產生了大的波長依存性的情況時，係亦可在感測頭10之濾波部16處，設置將光束9單色化之帶通濾波器，並對於每一單色光而測定平行度。

又，例如，若依據本實施形態之光束平行度測定裝置1，則由於係能夠得到在入射至感測頭10之光束9中所包含的各光線成分之相對於光軸K的入射角度θ之強度分布，因此，例如係可應用在對於光擴散板之擴散度的評價中。

亦即是，將評價對象之擴散板配置在感測頭10之入射側，並透過此擴散板來使平行度為光之光束入射至感測頭10來作測定，而產生入射角度分布表C。如圖5中所示一般，在入射角度分布表C中，若是擴散度越高，則入射角度θ係成為在廣範圍中分布，而能夠根據此分布之範圍來進行擴散板之評價。

1．．．光束平行度測定裝置

3．．．太陽模擬裝置

9．．．光束

10‧‧‧感測頭

12‧‧‧解析裝置(解析手段)

14‧‧‧顯示裝置

16‧‧‧濾波部

18‧‧‧開口光圈環

20‧‧‧透鏡部(成像光學系)

22‧‧‧二維檢測器

24‧‧‧入射光線

29‧‧‧光學單元

40‧‧‧測定結果輸出畫面

41‧‧‧色標度條

50‧‧‧照射面

52‧‧‧主光線

C‧‧‧入射角度分布表

K‧‧‧光軸

L‧‧‧距離

P‧‧‧成像位置

Q‧‧‧檢測面

[圖1]對於本發明之實施形態的光束平行度測定裝置之構成作模式性展示的圖。

[圖2]光束平行度之測定原理的說明圖。

[圖3]對於被輸出至顯示裝置處之測定結果輸出畫面作展示之圖。

[圖4]擬似太陽光之照射面內的光束平行度測定之說明圖，(A)係對於照射面和測定場所之關係作展示，(B)係對於藉由在各測定場所處之測定所得到的入射角度分布表之其中一例作展示。

[圖5]本發明之光束平行度測定裝置的應用例之說明圖。

1．．．光束平行度測定裝置

3．．．太陽模擬裝置

4．．．光源

6．．．平行光化光學系

8．．．均質器

9．．．光束

10．．．感測頭

12．．．解析裝置(解析手段)

14．．．顯示裝置

16．．．濾波部

18．．．開口光圈環

20．．．透鏡部(成像光學系)

22．．．二維檢測器

26．．．平面

28．．．箱體

29．．．光學單元

K．．．光軸

Claims (4)

1. 一種光束平行度測定裝置，其特徵為，具備有：成像光學系，係使從非內聚光源所放射並通過平行光化光學系而被作了平行光化的包含有複數之前進方向之光線成分的光束中之特定之視野角的範圍射入，並將在該光束中所包含之各光線成分，在檢測面上而不依存於射入位置地來在從光軸而離開了與相對於前述光軸之入射角度相對應的距離之位置處而成像；和檢測器，係具備有在前述檢測面上而檢測出前述光束之成像位置之影像感測器，該光束平行度測定裝置，並具備有：解析手段，係將在前述檢測面上之從前述光軸起直到前述成像位置為止之距離，變換為前述入射角度，並將前述光束中所包含之光線成分的入射角度分布輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之光束平行度測定裝置，其中，前述檢測器，係檢測出前述成像位置之光強度，前述解析手段，係將光強度與每一入射角度附加對應，並將前述入射角度分布輸出。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之光束平行度測定裝置，其中，前述成像光學系，係將前述各光線成分，在特定之平面上來分別成像於從前述光軸而離開了與入射角度成正比之距離的位置處。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之光束平行度 測定裝置，其中，前述成像光學系，係將朝向前述特定平面上之主光線設為與前述光軸相平行。