一種清晰度測量裝置的製作方法

2023-06-18 21:45:51

本發明涉及光學測量裝置，具體涉及一種清晰度測量裝置。

背景技術：

半透明產品以及透明產品的應用十分廣泛，相關產品包括玻璃、塑料薄膜、塑料瓶等。不同的應用需求對產品的光學性能要求不同；如對於溫室所採用的玻璃製品，通常需要較高的光學透過率以使得接收充足的室內光照；而用來包裝產品所採用的透明薄片則需要可以清晰地辨認包裝內的物品。因此，對半透明及透明產品的清晰度(Clarity)和霧度(Haze)等光學特性參數進行測量評估具有重大意義。

霧度，根據GB/T 2410，定義為透過被測樣品而偏離入射光光軸2.5°以外的散射光通量與透射總光通量之比。清晰度(透明度)用於評價被測樣品的透光性，根據標準ASTM D1746規定，在清晰度測量中測量所用光源相對於被測樣品平面的對邊角必須在0.025±0.005°以內；同時，在接收端探測器的接收面相對於被測樣品平面的對邊角要限制在0.1±0.025°以內，清晰度被定義為樣品在上述幾何條件下測量的規則透光率。為了實現如此小的對邊角，現有技術中，一般通過長距離來實現，因而，此類測量設備體積一般非常大，運輸不便，也無法進行在線測量。

為此，BYK公開專利號為US8749791B2的透明材料光學參數測量裝置，該方案中對清晰度的測量是通過設置中心探測器和環形探測器來分別測量被測樣品的規則透射光以及在指定角度處的散射光，並通過分析中心和環形探測器的讀數來實現清晰度的評價。

與此同時，3M公開了專利號為CN101680837A的光學性質傳感器，該方案中在透明率的測量方案中在積分球軸上開孔的出射光路上設置拋物面鏡，經由樣品透射和散射的光線通過設置在積分球軸上開孔出射光路上的拋物面鏡反射至透光率傳感器處實現指定角度區域內的總光度測量。

縱觀以上兩個專利不難發現，BYK方案對散射光的測量只針對局限角度處的散射光，而3M的方案則直接測量的是某一區域內的總光度值，不僅不能完整的反映經由待測樣品透射和散射後整個指定角度內的散射光分布信息，而且很難實現標準要求的清晰度測量條件，以BYK的方案為例，假設被測樣品到探測器的距離為50cm，則測量規則透射的中心探測器受光面尺寸應在0.87mm以內，而環形探測器的外徑需在21.8mm以內，現有單通道探測器技術幾乎不能達到該要求；更重要的是，由於清晰度測量中收集測量的光束角度很小，對於光束對準的要求也非常高；如果機械振動或者光路調校不夠，極小的對準偏差也會對最終的測量 結果產生影響。而對於散射性能與標準樣不同的被測樣品，而該方法測量誤差將會非常大，進而影響對樣品清晰度的評價和比較。此外，在傳統的清晰度測量中，如果要實現小角度內的散射分布測量，通常採用切換接收光闌的位置或者轉動接收器的方式，相對測量時間較長、效率不高，同時接收器的轉動精度對測量結果的準確度也有著極大的影響。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種清晰度測量裝置，可以通過合理的設計實現清晰度測量中對入射光源小對邊角以及接收器以小對邊角測量被測樣品規則透射光的要求，同時又可以高精度測量被測樣品特定角度範圍內的散射光分布，從而實現清晰度以及散射特性的準確評價和測量。

本發明通過以下技術方案實現：一種清晰度測量裝置，其特徵在於，包括第一光源系統，成像系統、光纖束和第一探測器；所述的光纖束由兩個及以上有序排列的光纖單元組成，所述的第一光源系統的發光光源或出光口通過成像系統成像在光纖束的輸入端，第一探測器接收並測量光纖束的出射光。被測樣品位於成像系統與光纖束之間，或者成像系統的成像元件之間，或者第一光源系統與成像系統之間的光路中。

本發明裝置中，第一光源系統的發光光源或出光口相對被測樣品的張角可以通過調整光纖束輸入端與被測樣品之間的距離來準確控制，且光纖單元的孔徑可以非常小，可以在緊湊體積的裝置中實現小對邊角接收的要求，實現標準規定的清晰度測量。此外，通過光纖單元的有序排列可以實現被測樣品在光纖輸入端的透射光的光分布情況，進而獲得被測樣品的角度散射特性，不僅可以更加準確評價清晰度，還對被測樣品的散射特性研究以及改進具有指導意義。

與傳統方案相比，本發明克服了傳統方案中由於被測樣品透射特性不同而導致的不同樣品之間清晰度比較不客觀、不準確、誤差大的缺點，而是通過測量被測樣品的規則透射光以及透射光分布，得到準確的清晰度以及角度散射數據，具有適用範圍廣、測量精度高、速度快的優點，並使得不同樣品之間清晰度的比較更為客觀、更有意義。

作為一種技術方案，所述的第一探測器由一個或一個以上的探測單元組成，且探測單元與光纖單元一一對應實現測量；或者還包括光纖切換裝置，光纖束的部分/全部光纖單元連接至同一個探測單元，並由光纖切換裝置按時序控制方式將光纖單元依次切換至探測單元處實現測量。

上述技術方案中的第一探測器由一個或一個以上的探測單元組成。作為優選，探測單元為矽光電池，矽光電池可以快速對光變化作出響應，可以對調製光進行測量。本技術方案中 探測單元與光纖束的光纖單元的對應關係以及測量方式包括以下幾種方案：

A.還包括光纖切換裝置，第一探測器只有一個探測單元，所有的光纖單元的輸出端均對應於該探測單元，且各光纖單元通過光纖切換裝置按時序控制方式，依次切換至探測單元處，從而實現探測單元對每個光纖單元輸出光的測量，得到被測樣品透射光的空間光分布。

b.光纖單元與探測單元的位置和數量一一對應，被測樣品的透射光通過每個光纖單元傳輸至對應的探測單元上實現空間光分布的測量。

c.部分光纖單元連接至同一個探測單元上，按a中所述時序方式實現各光纖單元輸出光的測量；另一部分光纖單元與探測單元成一一對應關係，按b中所述方式實現對應光纖單元輸出光的測量。

作為一種技術方案，其特徵在於，所述光纖單元可以為單獨的一根光纖，也可以為兩根及以上的光纖組合。光纖單元是由光纖組成的，根據需要，光纖單元可以為單獨的一根光纖，可以是兩根或兩根以上的光線組合。

作為一種技術方案，其特徵在於，所述的光纖束輸入端的接收面與測量光束的光軸的垂直面相傾斜，傾角為1°～15°之間的一個角度。本發明中為了防止光纖束輸入端對被測樣品的規則透射光進一步反射到被測樣品上從而造成清晰度測量的不準確性，將光纖束輸入端的接收面與測量光束的光軸成1～15°傾斜設置。測量光束是指從第一光源系統發出最終照射在被測樣品上的光束。

作為一種技術方案，在所述的光纖束輸入端的接收面上光纖單元可排列成矩形、圓環形或者弧形。在實際的測量中，可根據第一光源系統的發光光源或者出光口的形狀，將光纖單元排列為矩形、圓環形或者弧形。例如，當採用第一光源系統的出光口形狀為線形時，則將光線單元成矩形排列。

作為一種技術方案，所述的第一探測器為矽光電池。矽光電池響應快、線性度好，並且可以對經調製的光進行測量，是光度測量的優選方案。

作為一種技術方案，所述的第一光源系統為光源與出光口的組合，所述出光口為針孔或狹縫；或者所述的第一光源系統為雷射。第一光源系統是為清晰度測量提供照明條件，為了實現清晰度測量中入射光源小對邊角的設置，第一光源系統可以為光源與針孔或者光源與狹縫的組合，通過尺寸極小的針孔或狹縫，可以方便的產生所需的點光源或者線度極小的光源；作為優選，所述的光源為LED光源。此外，由於雷射具有發散角小的優點也可以作為第一光源系統。

作為一種技術方案，所述的第一光源系統發射可調製光。當在開闊場中進行清晰度測量 時，周圍的環境雜散光可能會造成光度測量結果不準確，本發明中採用可發射調製光的第一光源系統，通過在不同的光頻率下，第一探測器測量對應的光度值數據，分析則可以將環境雜散光造成的影響剔除掉；LED光源由於調製方便可作為第一光源系統的光源優選方案。

作為一種技術方案，還包括沿測量光束光軸方向設置的凹面反射鏡，所述第一光源系統發出的光通過成像系統後，經凹面反射鏡反射至所述的光纖束的輸入端。根據凹面反射鏡的反射成像特點，平行入射的光線(對應於被測樣品的規則透射光)經凹面反射鏡反射後經過凹面反射鏡的焦點，而非平行入射的光線(對應與被測樣品的散射光)則根據反射定理依次反射；本發明中的凹面反射鏡位於被測樣品與光纖束之間；用於將被測樣品的透射光依次反射至光纖單元輸出端的接收面處。作為優選，所述的凹面反射鏡為球面反射鏡或者拋物面反射鏡。

作為一種技術方案，還包括分光器和參考探測器，所述第一光源系統的發射光束經分光器分光形成參考光束和測量光束，所述參考光束由參考探測器直接接收和測量進而監測第一光源系統發光的穩定性，而所述測量光束則進入被測樣品的測量光路中。本方案中，分光器可以為部分透射部分反射的反射鏡或稜鏡、光纖或者混光器等。作為優選，所述的參考探測器為矽光電池。

作為一種技術方案，還包括用於被測樣品散射光測量的積分球和第二探測器；所述積分球沿測量系統的光軸方向設置在光纖束的前面，且所述積分球上設有入射窗口、第一測量窗口和第二測量窗口，其中入射窗口和第一測量窗口位於測量系統的光軸上；第二測量窗口設置於測量系統的光軸以外的積分球球壁上，且第二探測器對應於第二測量窗口。通過在積分球上設置第一測量窗口，使得經過被測樣品的透射光可以通過第一測量窗口傳輸至凹面反射鏡處或者成像至光纖束的輸入端。在積分球測量光束光軸以外的球壁上開設第二測量窗口，並在第二測量窗口的出射光路上設置第二探測器，可以實現對積分球內散射光的測量；作為優選，本方案中的第二探測器為矽光電池。

上述方案中，光纖束的輸入端設置在積分球第一測量窗口的出射光路上，由第一光源系統的發光光源或者出光口經過成像系統和待測樣品後通過積分球的入射窗口進入積分球，並通過積分球的第一測量窗口最終成像至光纖束的輸入端，光纖束的各光纖單元將測量光束分別導入第一探測器，從而獲得光纖束輸入端所在平面內的透射光分布。被測樣品放置於成像系統與積分球入射窗口之間的位置，第一探測器可實現待測樣品清晰度以及透射光分布測量。在積分球光軸以外的球壁上開設第二測量窗口，並在第二測量窗口的出射光路上設置第二探測器，被測樣品緊貼積分球入射窗口時，積分球收集了被測樣品半球面內、除第一測量窗口 出射光以外的大角度散射光，並由第二探測器接收和測量。作為優選，本方案中的第二探測器為矽光電池。

作為上述方案的另一個方案，所述的積分球還包括白板，切換裝置和光陷阱，且根據實際測試需要所述的白板或光陷阱由切換裝置切入到第一測量窗口位置或從第一測量窗口位置切出。當將白板切入到第一測量窗口時，可以由第二測量窗口處的第二探測器測得積分球內經被測樣品透射後的所有光線，即總透射光；當將光陷阱切入第一測量窗口時，光陷阱吸收偏離被測樣品入射光軸2.5°以內的散射光，此時，第二測量窗口處的第二探測器測得積分球內經被測樣品入射光軸2.5°以外的散射光，從而根據標準計算獲得霧度。所述第一探測器與光陷阱可以獨立設置，也可以將第一探測器設置於光陷阱內部。所述的光陷阱可以吸收掉入射到光陷阱處的所有光線，可以為內壁塗黑的黑盒子，或者為黑色絨布等。作為優選，本方案中的光陷阱為內壁塗黑的黑盒子。作為優選，第一探測器位於光陷阱中，並通過切換裝置切入或切出第一測量窗口，實現清晰度或霧度測量。

作為一種技術方案，還包括專用於被測樣品霧度測量的第二光源系統。本方案中設置了專門用於霧度測量的第二光源系統，所述第二光源系統可以是光源與透鏡或光闌的組合，也可以是單獨的光源。

作為上述方案的一種實施方法，所述的第一光源系統和第二光源系統可由獨立的驅動裝置進行開關切換，也可由同一驅動裝置來控制兩者的切換；第一光源系統與第二光源系統具有相似的光學特性，比如類似的光譜特性等。或者第一光源系統與第二光源系統共用同一個光源。所述第一光源系統和第二光源系統發出的光由分光器進行分光後，分別形成對應的測量光束，並通過分光器控制，使對應的測量光束分別透過被測樣品後進入積分球內部，並由第一探測器和第二探測器分別接收，進而測量被測樣品的清晰度以及霧度。

作為一種技術方案，還包括第三光源，第三光源設置於積分球球壁上。在測量霧度時，被測樣品需緊貼積分球的入射窗口，被測樣品的透射光進入積分球後，在被測樣品面向積分球的表面會發生反射，且反射光與透射光一起被第二探測器接收。因此，在第一光源系統和第二光源系統處於關閉的情況下，開啟第三光源，積分球入射窗口不放被測樣品和放置被測樣品的情況下，獲得第二探測器讀數，從而修正被測樣品表面反射對測量的影響，提高積分球效率。

【附圖說明】

附圖1為實施例1中本發明裝置示意圖

附圖2為實施例1中光纖束輸入端光纖單元排列圖

附圖3為實施例1中本發明裝置示意圖

附圖4為實施例3的本發明裝置示意圖

附圖5為實施例3中光纖束輸入端光纖單元排列圖

附圖6為實施例4中本發明裝置組成示意圖

附圖7為實施例4中光纖束輸入端光纖單元排列圖

附圖8為實施例4中清晰度測量光路示意圖

附圖9為實施例4中霧度測量光路示意圖

1—第一光源系統；2—成像系統；3—光纖束；3-1—光纖單元；4—第一探測器；5—凹面反射鏡；6—分光器；7—參考探測器；8—積分球；8-1—入射窗口；8-2—第一測量窗口；8-3—第二測量窗口；9—第二探測器；10—第二光源系統。

【具體實施方式】

實施例1

如圖1、2所示，本實施例公開一種清晰度測量裝置，包括第一光源系統1，成像系統2、光纖束3和第一探測器4，被測樣品放置於成像系統2和光纖束3之間。所述的第一光源系統1由可調製的LED光源與狹縫組成；所述的光纖束3由多個光纖單元3-1組成，且光纖束3輸入端的接收面與測量光束光軸的垂直面成5°角設置；在光纖束3輸入端的接收面上光纖單元3-1排列成矩形，且每個光纖單元3-1的輸出端都連接至對應的第一探測器4的探測單元4-1處，且光纖單元3-1的位置與探測單元4-1成一一對應關係；本裝置中的每個光纖單元3-1都是由一根光纖構成，探測單元4-1為矽光電池。此外，在第一光源系統1和成像系統2之間還設有分光器6，由第一光源系統1發出的光線經過分光器6後，形成第一測量光束和第一參考光束兩束光，其中第一測量光束通過成像系統2最終將第一光源系統1成像至光纖束3的接收面處，進一步，光纖單元3-1將光線傳輸至對應的探測單元4-1中從而實現被測樣品透射光的空間光分布測量；而經過分光器6後形成的參考光束則通過參考通道直接進入到參考探測器7中，實現第一光源系統1發光穩定性的監測。此處，所述的參考探測器7為矽光電池，分光器6為部分透射部分反射的反射鏡；所述的成像系統2由一個透鏡構成。

本實例中還公開一種清晰度測量方法：第一光源系統1通過成像系統2最終成像至光纖束3的接收面處，進而由光纖單元3-1將光線傳輸至對應的探測單元4-1中實現被測樣品透射光的空間光分布測量；在獲得被測樣品透射光空間光分布的前提下，通過對被測樣品規則透射光和散射光的光分布進行分析進而得到被測樣品的清晰度。本實例中的清晰度計算方法 為通過公式來評價被測樣品的清晰度好壞，C值越大，清晰度越好；C值越小，清晰度越差；其中，C為清晰度；Ir為第一探測器測得的規則透射光光度值；Is為第一探測器測得的特定角度範圍內散射光的最大光度值。

實施例2

如圖3所示，本實施例公開一種清晰度測量裝置，包括第一光源系統1，成像系統2、光纖束3和第一探測器4，所述成像系統2由兩個透鏡組成，並沿光路前後分別命名為前置透鏡2-1和後置透鏡2-2，且被測樣品放置於前置透鏡2-1和後置透鏡2-2之間。所述的第一光源系統1由可調製的LED光源與狹縫組成；所述的光纖束3由多個光纖單元3-1組成，且光纖束3輸入端的接收面與系統光軸的垂直面成5°角設置；在光纖束3輸入端的接收面上光纖單元3-1排列成矩形，且每個光纖單元3-1的輸出端都連接至對應的第一探測器4的探測單元4-1處，且光纖單元3-1的位置與探測單元4-1成一一對應關係；本裝置中的每個光纖單元3-1都是由一根光纖構成，探測單元4-1為矽光電池。此外，在前置透鏡2-1和後置透鏡2-2之間還設有分光器6，由第一光源系統1發出的光線經過分光器6後，形成測量光束和參考光束兩束光，其中測量光束進而透過被測樣品和後置透鏡2-2後最終將第一光源系統1成像至光纖束3的接收面處，進一步，光纖單元3-1將光線傳輸至對應的探測單元4-1中從而實現被測樣品透射光的空間光分布測量；而經過分光器6後形成的參考光束則通過參考通道直接進入到參考探測器7中，實現第一光源系統1發光穩定性的監測。此處，所述的參考探測器7為矽光電池，分光器6為部分透射部分反射的反射鏡；

本實例中的清晰度測量方法與實施例1相同。

實施例3

如圖4、5所示，本實施例公開了一種清晰度測量裝置，包括第一光源系統1，成像系統2，光纖束3、第一探測器4和凹面反射鏡5，所述的第一光源系統1由滷鎢燈和針孔組成，所述的成像系統2為一個透鏡，被測樣品放置於成像系統2和凹面反射鏡5之間。所述的光纖束3由多個光纖單元3-1組成，在光纖束3的輸入端光纖單元3-1排列成圓環形；所述的第一探測器4包含一個探測單元4-1，且所有光纖單元3-1均連接至這個探測單元4-1處，在實際測量中，通過光纖切換裝置將光纖單元3-1的光依次傳輸至探測單元4-1處從而按時序實現每個光纖單元3-1輸出光的測量。本裝置中的每個光纖單元3-1都是由一根光纖構成。此外，在第一光源系統1和成像系統2之間還設有分光器6，由第一光源系統1發出的光線經過分光器6後通過成像系統2形成準直的測量光束照射在被測樣品上，由穿過被測樣品的透射光進而通過沿光軸方向設置於光纖束3前面的凹面反射鏡5反射至光纖束3的輸入端， 進而將光線傳輸至第一探測器4處進行測量。另一方面，經過分光器6後的參考光束則直接進入到參考探測器7中，實現第一光源系統1發光穩定性的監測。此處，所述的第一探測器4和參考探測器7均為矽光電池，凹面反射鏡5為拋物面鏡，分光器6為半透半反鏡。

本實例中所採用的清晰度測量方法：第一光源系統1通過成像系統2和最終成像至光纖束3的輸入端，進而由光纖單元3-1將光線傳輸至對應的第一探測器4中實現被測樣品透射光的空間光分布；進而通過比較在放置被測樣品時的光分布信息與不放置被測樣品時的光分布，可以獲得待測樣品在任意角度以及任意區域內的透射性能，同時也可以獲得待測樣品的清晰度。

實施例4

如附圖6、7、8、9所示，本實施例公開了一種清晰度測量裝置，不僅可以實現被測樣品清晰度的測量，而且可以實現霧度的測量，具體包括，第一光源系統1，成像系統2，光纖束3，第一探測器4，積分球8，第二光源系統8，分光器6和參考探測器7；被測樣品放置在成像系統2與積分球8之間的光路上；其中第一光源系統1為白光LED燈與狹縫的組合，且狹縫為弧線形狀；成像系統2由兩個透鏡組成，沿光路方向分別命名為前置透鏡2-1,和後置透鏡2-1；所述的光纖束3由多個光纖單元3-1組成，且光纖束3輸入端的接收面與系統光軸的垂直面成5°角設置；在光纖束3的輸入端光纖單元3-1排列成弧形，每個光纖單元3-1的輸出端對應於第一探測器4，且所述的第一探測器4由多個探測單元4-1構成，光纖單元3-1與探測單元4-1為一一對應關係；本裝置中的每個光纖單元3-1都是由兩根或以上的光纖組合而成。所述的積分球8沿光軸方向設置後置透鏡2-1與光纖束3之間，且所述積分球8上沿光軸方向設有入射窗口8-1、第一測量窗口8-2和第二測量窗口8-3，第二測量窗口8-3設置於光軸以外的積分球8球壁上，且第二探測器9對應於第二測量窗口8-3。此外，在成像系統2的前置透鏡2-1和後置透鏡2-1之間設有分光器6，此處，分光器6為半透半反鏡。第一光源系統1或第二光源系統10發出的光線經過分光器6後形成相應的測量光束和參考光束，其中測量光束透過被測樣品後被光纖束3和第一探測器4所接收測量，而參考光束則由參考探測器7接收測量用來監測光源系統發光的穩定性。本實施例中，探測單元4-1、第二探測器7以及參考探測器7均為矽光電池，所述的第二光源系統10是為被測樣品霧度測量提供照明的，此處第二光源系統10為LED燈。以下分別就清晰度測量光路與霧度測量光路進行介紹。

在清晰度測量中，被測樣品放置與成像系統2的後置透鏡2-1與積分球8之間的光路上，開啟第一光源系統1；第一光源系統1發出的光線經過成像系統2的前置透鏡2-1後到達分光器6後，形成的測量光束通過後置透鏡2-2和被測樣品後通過積分球8的入射窗口6進入到 積分球8內部，並通過積分球8的第一測量窗口8-2處射出，最終第一光源系統1成像至光纖束3的輸入端，並通過光纖單元3-1將光線進一步傳導至對應的第一探測器3-2處實現被測樣品待研究角度內的透射光分布。在獲得被測樣品的透射光分布信息的前提下，進而採用實施例1或實施例2中的清晰度分析方法對被測樣品的清晰度作出評估；與此同時，第一光源系統1發出的光線在經過分光器6之後的參考光線進入到參考探測器10中，實現第一光源系統1穩定性的實時監測。

在霧度測量中，被測樣品放置於積分球8的入射窗口8-1處，開啟第二光源系統10；第二光源系統10發出的光線到達分光器6的入射面後形成第二測量光束和第二參量光束，第二測量光束通過成像系統2的後置透鏡2-1後通過被測樣品和積分球8的入射窗口8-1進入到積分球8的內部，並通過第一測量窗口8-2出射並由光纖束3和第一探測器4接收並測量；而在積分球8內經過漫反射的光則由第二探測器9接收測量，綜合第一探測器4和第二探測器9的測量結果則可以得到被測樣品的霧度。與此同時，經過分光器6所形成的第二參考光束進入到參考探測器7中，實現第二光源系統10穩定性的實時監測。

以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍是由隨附的權利要求書還限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範圍。