一種測量輻射光場三維分布的裝置的製作方法

2023-10-04 17:48:54 1

專利名稱：一種測量輻射光場三維分布的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量輻射光場三維分布的裝置，具體涉及利用光纖傳輸並通過陣 列式探測器測量三維短射光場分布的領域。
背景技術：
現有的輻射光場分布測量方法主要是利用一個或多個光電探測器在待測樣品表面 上方作二維或一維掃描，逐點探測各個觀測角度的光強，如M. Barilli和A. Mazzoni 白勺i侖文《An equipment for measuring 3D bi-directional scattering distribution flinction of black painted and differently machined surfaces》(Proc. of SPIE, 59620L, 2005)。該方法
探測器響應範圍較大，配合後續電路可以實現任意角度處反射光強的精確測量，其缺 點是耗時多，雖然採用計算機控制自動掃描測量可以提高測量速度，但仍不能實現實 時的在線測量，且測量過程中容易因光源輸出功率及探測器響應度變化而受到影響， 重複性較差。 發明內容
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種測量輻射光場二維分布的裝置，
所要解決的問題主要有1.系統應能在較短的時間內完成輻射光場測量。2.系統的
重複性誤差較小。3.系統能對較大範圍內的輻射光強進行精確測量。4.系統應能實 現整個半球空間輻射光場的三維分布測量。5.系統應方便進行野外測量。
技術方案
一種測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於裝置的組成包括鑽孔半球殼1、
光纖2、鑽孔圓盤3、可調光闌6、透鏡5和CCD相機4;可調光闌6位於裝置底部， 鑽孔半球殼1位於可調光闌6上，鑽孔圓盤3位於鑽孔半球殼1之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡5位於圓盤3之上，CCD相機4位於透鏡5之上；所述的可調光 闌6的下表面與鑽孔半球殼1的赤道面重合，且可調光闌6下表面的中心與鑽孔半球 殼l的球心重合；所述的鑽孔半球殼l、光纖2、鑽孔圓盤3、可調光闌6、透鏡5和 成像系統沿裝置主軸同軸分布；所述的鑽孔半球殼1和鑽孔圓盤3上的孔數目相等且 均勻分布，光纖數目等於鑽孔半球殼上的孔數和圓盤上的孔數。
所述的鑽孔圓盤3上的孔距鑽孔圓盤3中心的距離正比於鑽孔半球殼1上的孔的 軸線與裝置主軸的夾角，且兩對應孔的軸線與光纖軸線在同一平面內。
所述的透鏡5到鑽孔圓盤3的距離大於透鏡5的兩倍焦距，透鏡5的孔徑大於鑽 孔圓盤3的直徑。
所述的CCD相機4靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之間。
所述的鑽孔半球殼1上的圓孔7沿鑽孔半球殼1表面均勻分布，孔徑可取 0.5mm 2mm，孔間距可取lmm 2mm，所有圓孔7的軸垂直於鑽孔半球殼1表面並指 向球心。
所述鑽孔半球殼1上的圓孔7的孔徑與鑽孔圓盤3上圓孔的孔徑與光纖2的直徑 相等。
所述的所述光纖2的兩個端面8為凸形聚光設計或在光纖兩端加裝與光纖同軸的 自聚焦透鏡。
所述的鑽孔半球殼1的內壁及圓孔7的內壁塗黑色吸光塗層。
所述可調光闌6採用旋片式光闌。
有益效果
本發明的有益效果在於採用光纖和面陣CCD相機可以快速地測量光源輻射光場空 間分布。CCD相機曝光時間可調，能夠對多個不同強度量級的反射分布進行準確測量。 整個裝置集電源、光源、測試光路、調節、存儲和控制單元於一個緊湊的整體，方便實時在線測量及野外測量。

圖1是本發明輻射光場三維分布測量裝置的剖視圖； 圖2是本發明中鑽孔半球殼的俯視圖3是本發明中光纖插入鑽孔半球殼處的局部放大剖視圖； 圖4是本發明中可調光闌的俯視圖5是圖1所示輻射光場三維分布測量裝置的底部放大剖視l-鑽孔半球殼；2-光纖；3-鑽孔圓盤；4-CCD相機；5-透鏡；6-可調光闌；7-圓孔； 8-端面；9-開孔；10-待測光源。
具體實施方式

現結合附圖對本發明作進一步描述
實施例h如圖1所示的輻射光場三維分布測量裝置包括鑽孔半球殼1、光纖2、
鑽孔圓盤3、可調光闌6和成像系統。所有組件沿裝置主軸同軸分布，可調光闌6位 於裝置底部，鑽孔半球殼1位於可調光闌6上，可調光闌6的下表面與鑽孔半球殼1 的赤道面重合，且可調光闌6下表面的中心與鑽孔半球殼1的球心重合。鑽孔圓盤3 位於鑽孔半球殼l之上，二者之間通過若干光纖連接，光纖數目等於鑽孔半球殼上的 孔數和圓盤上的孔數，分別位於圓盤3和鑽孔半球殼1上且為同一根光纖所連接的兩 個孔相對應，即圓盤3上的孔距圓盤3中心的距離正比於鑽孔半球殼1上的孔的軸線 與裝置主軸的夾角(天頂角)，且兩對應孔的軸線與光纖軸線在同一平面內。透鏡5 位於圓盤3之上，到圓盤3的距離大於透鏡5的兩倍焦距，透鏡5的孔徑大於圓盤3 的直徑，可以確保所有從圓盤上光纖端面出射的光束都能被透鏡5接收。CCD相機4 位於透鏡5之上，CCD靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之間，圓盤3上的光纖端面 成像於CCD靶面。此裝置適合測量發光二極體(LED)等小體積光源的光輻射角分布，還可以用於測量顯示器視角特性。測量光源輻射分布時將待測光源10置於鑽孔半球殼
球心位置處，並調節可調光闌6的大小使其中心孔9的大小等於待測光源10的大小以 防止外界環境光的幹擾，如圖1和圖6A所示，然後根據光源輻射強度的大小選擇適 當的曝光時間，通過CCD相機4紀錄下光源在整個半球空間中各個角度的輻射光強並 存儲在相機所攜帶的存儲卡內。
所述光源輻射光場三維分布的測量將待測光源10置於鑽孔半球殼1的球心處， 調節可調光闌6使其中間孔9的大小與待測光源10相當，可調光闌6阻擋了外界環境 光的影響，且其表面為吸光塗層。由光源輻射的光經光纖2傳輸至圓盤3處並由透鏡 5成像於CCD相機4上，CCD相機4的曝光時間可以調節以適應不同的光源輻射強 度。
圖2中鑽孔半球殼1上的圓孔7沿鑽孔半球殼1表面均勻分布，孔徑可取 0.5mm 2mm，孔間距可取lmm 2mm。實施例中孔徑可取lmm，孔間距可取lmm。 所有圓孔的軸垂直於鑽孔半球殼1表面並指向球心，鑽孔半球殼內壁塗黑以防止未照 射到光纖端面的光在鑽孔半球殼內壁發生反射。
圖3表示了光纖一端插入鑽孔半球殼1的情況，光纖直徑等於圓孔7的孔徑為 lmm。光纖端面8距鑽孔半球殼1內壁有一段距離，且圓孔內壁塗黑，這樣限制了入 射光和接收光的方向並減弱了光纖端面反射造成的幹擾。光纖端面為凸透鏡形狀，可 以在不使用外加透鏡的條件下對入射光束和接收光束進行會聚，使輻射和反射測量更 精確。
圖4中的可調光闌6採用旋片式光闌，在測量輻射光場三維分布時用以隔離環境 光幹擾，測量時照射光斑的面積大於光闌開孔9的面積，光斑中心的一部分光通過開 孔9照射到待測物體表面，這樣在不同的入射角下，照射到待測物體表面的光斑都是 同一面積的圓斑，而輻射照度正比於入射角的餘弦。圖5描述了測量輻射光場三維分布的具體實施過程，本發明尤其適合於測量如LED
等小型發光體的光輻射空間分布，可以在不到1秒的時間內測得整個半球空間內的輻 射光場分布，排除了光源功率波動的影響。
本發明所述裝置外殼採用剛度較好的金屬殼封裝，外殼內壁塗黑色吸光塗層，外 殼上設置光源位置調節及光闌調節裝置並可以顯示調節值。
權利要求1.一種測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於裝置的組成包括鑽孔半球殼(1)、光纖(2)、鑽孔圓盤(3)、可調光闌(6)、透鏡(5)和CCD相機(4)；可調光闌(6)位於裝置底部，鑽孔半球殼(1)位於可調光闌(6)上，鑽孔圓盤(3)位於鑽孔半球殼(1)之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡(5)位於圓盤(3)之上，CCD相機(4)位於透鏡(5)之上；所述的可調光闌(6)的下表面與鑽孔半球殼(1)的赤道面重合，且可調光闌(6)下表面的中心與鑽孔半球殼(1)的球心重合；所述的鑽孔半球殼(1)、光纖(2)、鑽孔圓盤(3)、可調光闌(6)、透鏡(5)和成像系統沿裝置主軸同軸分布；所述的鑽孔半球殼(1)和鑽孔圓盤(3)上的孔數目相等且均勻分布，光纖數目等於鑽孔半球殼上的孔數和圓盤上的孔數。
2. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述的鑽孔 圓盤(3)上的孔距鑽孔圓盤(3)中心的距離正比於鑽孔半球殼(1)上的孔的軸 線與裝置主軸的夾角，且兩對應孔的軸線與光纖軸線在同一平面內。
3. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述的透鏡(5)到鑽孔圓盤(3)的距離大於透鏡(5)的兩倍焦距，透鏡(5)的孔徑大於 鑽孔圓盤(3)的直徑。
4. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述的CCD 相機(4)靶面距離透鏡1倍焦距到2倍焦距之間。
5. 根據權利要求1所述的測量輻射光場二維分布的裝置，其特徵在於所述的鑽孔 半球殼(1)上的圓孔(7)沿鑽孔半球殼(1)表面均勻分布，孔徑可取0.5mm 2mm， 孔間距可取lmm 2mm，所有圓孔(7)的軸垂直於鑽孔半球殼(1)表面並指向球 心。
6. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述鑽孔半 球殼(1)上的圓孔(7)的孔徑與鑽孔圓盤(3)上圓孔的孔徑與光纖(2)的直 徑相等。
7. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述的所述 光纖(2)的兩個端面(8)為凸形聚光設計或在光纖兩端加裝與光纖同軸的自聚 焦透鏡。
8. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述的鑽孔 半球殼(1)的內壁及圓孔(7)的內壁塗黑色吸光塗層。
9. 根據權利要求1所述的測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於所述可調光 闌(6)採用旋片式光闌。
專利摘要本實用新型涉及一種測量輻射光場三維分布的裝置，其特徵在於裝置的組成包括鑽孔半球殼1、光纖2、鑽孔圓盤3、可調光闌6、透鏡5和CCD相機4；可調光闌6位於裝置底部，鑽孔半球殼1位於可調光闌6上，鑽孔圓盤3位於鑽孔半球殼1之上，二者之間通過若干光纖連接，透鏡5位於圓盤3之上，CCD相機4位於透鏡5之上。有益效果在於採用光纖和面陣CCD相機可以快速地測量光源輻射光場空間分布。CCD相機曝光時間可調，能夠對多個不同強度量級的反射分布進行準確測量。整個裝置集電源、光源、測試光路、調節、存儲和控制單元於一個緊湊的整體，方便實時在線測量及野外測量。
文檔編號G01J1/04GK201149525SQ20082002816
公開日2008年11月12日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者駒 任, 趙建林 申請人:西北工業大學