液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀的製作方法
2023-07-12 08:53:11
專利名稱：液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光譜測定法的檢測儀。
液晶投影機是當前大屏幕顯示技術的主要方法。在電化教學、辦公、商務以及廣告娛樂等方面應用廣泛，與其它大屏幕顯示技術相比，具有體積小，重量輕方便攜帶等優點，目前正在得到大面積推廣與應用。常規的液晶投影機中主要元件為分色合色光學器件。這些元件或者是一些平板型分色器件，或者為各種稜鏡型分色合色器件。由於液晶投影機工作在特定的偏振光狀態，而各種分色合色器件的形狀各異，因此液晶投影機的分色合色光學元件的光譜測試是常規光譜測試分析系統所無法進行的。
目前常規的分光光度計為透射測量方式，無法測量反射特性。或能測量反射特性，但只能測量垂直反射特性；所用光為無偏振的自然光，無法測量分色合色器件的偏振分光光譜特性。由於常規光度計只測量較薄樣品，所以在光路設計上所用的光束平行度不高，沒有其他光學積分元件。因此用常規光度計測量較厚器件的光譜透過率時，由於器件厚度給光線帶來的偏折較大，使測量的結果往往不準確，有時甚至出現透過率大於100％的錯誤結果。
本實用新型的目的是設計一種利用轉動的探測器和偏振器能測試各種形狀各異的，不同入射角、出射角度的偏振光光譜特性的液晶投影中的分色合色元件的光譜檢測儀。
為了達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案它依次包括白光光源、透鏡、單色儀、準直透鏡、濾色片轉盤、偏振器，放置被測樣品的樣品臺，由金屬積分球和光電倍增管組成的光電探測器空套在樣品臺的轉軸上；光電探測器中的光電倍增管接信號轉換與程控放大模塊，經A/D採集卡與計算機相連；單色儀、濾色片轉盤、偏振器、樣品臺、光電探測器的位置探測與反饋電路接步進電機驅動與控制模塊，經I/O卡與計算機相連。
以下結合附圖對本實用新型作詳細描述。
圖1是本實用新型的結構原理圖；圖2是本實用新型的光電探測器結構示意圖；圖3是本實用新型的電路原理框圖；
圖4是本實用新型光電探測器與計算機連接電路圖；圖5是本實用新型的運動狀態控制電路圖；如圖1、圖3所示，它依次包括白光光源1、透鏡2、單色儀3、準直透鏡4、濾色片轉盤5、偏振器6，放置被測樣品8的樣品臺7，由金屬積分球9.4和光電倍增管9.1組成的光電探測器9空套在樣品臺7的轉軸上；光電探測器9中的光電倍增管9.1接信號轉換與程控放大模塊10，經A/D採集卡11與計算機15相連；單色儀3、濾色片轉盤5、偏振器6、樣品臺7、光電探測器9的位置探測與反饋電路13接步進電機驅動與控制模塊12，經I/O卡14與計算機15相連。
如圖4所示，信號轉換與程控放大模塊10的J1腳、B1腳分別接A/D採集卡11和光電倍增管9.1的一端，信號轉換與程控放大模塊10的J2腳和高壓模塊17的J3腳接電源，高壓模塊17的B2腳、J4腳分別接光電倍增管9.1的另一端和樣品池門開關16。
如圖5所示，步進電機驅動與控制模塊12的P1、P2腳分別接I/O卡和電源；P3、P4腳分別接光電探測器位置傳感光電開關0-DEG和90-DEG；P5、P6腳分別接濾色片轉盤位置傳感光電開關L和H；P7、P8腳分別接單色儀波長位置傳感光電開關MIN和MAX；P9腳接樣品臺位置傳感光電開關0-DEG；P10腳接偏振片位置傳感光電開關0-DEG；J1、J2、J3、J4、J5腳分別接樣品臺電機7.1、偏振片電機6.1、探測器電機9.5、濾色片電機5.1和單色儀電機3.1；X1、Y1腳，X2、Y2腳，X3、Y3腳，X4、Y4腳，X5、Y5腳分別接樣品臺驅動模塊7.2，偏振片驅動模塊6.2，光電探測器驅動模塊9.6，濾色片驅動模塊5.2和單色儀驅動模塊3.2。
如圖2所示，光電探測器9包括內塗有反光層氧化鎂塗層9.3的金屬積分球9.4，金屬積分球9.4的一端能接收測量光束，另一端經漫射板9.2接光電倍增管9.1。
光電倍增管9.1為GDB-159，信號轉換與程控放大模塊10為AK002，步進電機驅動與控制模塊12為BK201，樣品池門開關16和位置傳感光電開關為GK151，高壓模塊17為WG956，驅動模塊為BQ201。
如圖1所示，燈源發出的可見區白光1，經透鏡2會聚於單色儀3的入射狹縫，經單色儀3出射的單波長光線經準直透鏡4準直，經過濾色片轉盤5，並由偏振器6起偏成線偏振光，入射到被測樣品8。被測樣品8放置於一個可轉動的樣品臺7上，可調節控制入射角度。通過樣品的光束(透射光束或反射光束)由積分球9.4收集經光電倍增管9.1接收轉化為電流信號，該電流信號經過放大電路10處理，由A/D採集卡11轉換成數位訊號送入計算機15。計算機控制整個測試過程，包括樣品臺的角度調節，積分球和光電倍增管(光電探測器)的位置調節，偏振方向調節以及數據處理等。
其中濾色片轉盤的作用是為了克服光電倍增管的光譜響應在測試的不同光譜範圍內的不一致性而引入的，在不同的測試譜段引入不同透過率的濾光片是得整個測試系統的光譜靈敏度較為一致，提高系統的測試精度。單色儀出射的是自然光，可以分解成兩個正交的偏振光，經過偏振片後，該自然就變成了線偏振光。
圖2所示，表示本實用新型的光電探測器部件，該部件採用高效的朗伯體漫射積分球，配合轉折光路，漫射板9.2以及光電倍增管9.1，構成一個對入射光的入射方向在小範圍變化不敏感的光電探測系統。該積分球的大小與探測得到的光電信號的強弱密切相關，經過反覆試驗，採用直徑為40至150mm的積分球效果最好，既保證了信號強度又保證了入射光角度的不敏感性。
本實用新型在光譜儀的信號檢測方面採用的是單光路法，及背景輻射與經過樣品後的反射或透射輻射均採用同一光路進行。同樣的本實用新型也使用於雙光路的光譜檢測系統。
本系統的電路與控制過程為(如圖3所示)計算機通過A/D、經光電隔離後，控制「信號轉換與控制放大電路模塊」，直接控制並測試光電倍增管(本專利中採用GDB-159，實際上可以採用相應檢測波段的光電探測器件)的光電信號，光電倍增管的高壓電源由樣品池的門開關來控制電源的開斷，已保證樣品池突然打開時，外界的強光不損壞光電倍增管，影響測試精度，通過電路程控硬放大、濾波與程序軟放大、濾波兩種方式，來保證測試信號的動態範圍與測試精度。
同時計算機通過I/O口、經光電隔離後，控制「步進電機驅動與控制模塊」，驅動機構多臺步進電機的運動(樣品臺電機、探測器步進電機、濾色片步進電機、偏振片電機以及單色儀步進電機)，並由多個位置光電開關(如0度探測器、90度探測器，以及L濾色片探測器、H濾色片探測器，單色儀MIN探測器、單色儀MAX探測器以及偏振片0-DEG，樣品臺0-DEG)反饋運動狀態，使計算機能夠實時獲知整機系統的狀態，以便控制執行測試任務。
電路連接方式為(如圖4所示)計算機通過內插或採用外置式A/D卡，通過光電隔離器後，經並排導線連接「信號轉換與控制放大電路模塊」，該模塊具有電流電壓轉換以及低噪程控放大功能，經過上述模塊後，用屏蔽導線連接到系統的光電傳感器光電倍增管。本實用新型的光電傳感器件為光電倍增管，其高壓由高壓模塊WG965提供，而高壓模塊的電壓輸出又由裝在樣品池門上的光電開關GK151來控制。光電開關GK151是由一個小發光管與一個光電二極體構成，在樣品池門上裝一個擋光片，當門關上時，擋光片正好位於小發光管與一個光電二極體之間，光電二極體輸出信號給高壓模塊，高壓模塊切斷供給光電倍增管的高壓。這樣，可以保證樣品池突然打開時，外界的強光不損壞光電倍增管，影響儀器測試精度。
光電倍增管探測到的光電信號接入「信號轉換與控制放大電路模塊」，並由其進行電流電壓變換、濾波以及程控放大後經過排導線，在光電隔離之後進入計算機的A/D卡。計算機採集A/D卡的數據，並經過軟體進行數據放大、濾波處理，以保證測試信號的動態範圍與測試精度。
在運動狀態控制部分(如圖5所示)計算機由I/O口，經過光電隔離器後，經並排導線連接「步進電機驅動與運動狀態控制電路模塊」，該模塊具有執行計算機運動指令以及檢測儀器各個部件的狀態及位置功能。經過該模塊的電機驅動部件，分別連接到達探測器驅動模塊，樣品臺驅動模塊，濾色片驅動模塊，偏振片驅動模塊以及單色儀驅動模塊，這些驅動模塊形成電機驅動電流信號，進而連線輸送到各自的步進電機，驅動電機運動，帶動部件工作。
同時，由「步進電機驅動與運動狀態控制電路模塊」P3-10幾個引線分別與探測器位置傳感光電開關0-DEG、90-DEG；樣品臺位置開關0-DEG；濾色片位置傳感光電開關L、H；單色儀波長位置光電開關MIN、MAX以及偏振片位置開關0-DEG連接，依據光電開關的輸出信號高低電平，來判斷探測器、樣品臺、濾色片、偏振片以及單色儀的位置與狀態。光電開關的工作原理已在前面論述。
探測器光電開關0-DEG與90-DEG的工作方式為計算機發出探測器測試命令後，探測器步進電機先往一個方向轉，當探測器轉臂上的光開關擋板切斷某一光電開關時比如0-DEG開關，該開關輸出低電平，計算機經I/O口接收到該信息後停止電機轉動同時將此位置定為探測器的0度位置，進而確定計算探測器的測試工作應該在的位置所對應的步進電機所應該轉動的步數，然後發命令，經I/O口，光電隔離以及「步進電機驅動與運動狀態控制電路模塊」，探測器驅動板，驅動探測器電機轉動。90-DEG開關是冗餘開關，用於控制探測器的極限位置，以避免探測器運動失控。
本實用新型的優點是1)該光譜檢測儀採用了轉動的樣品平臺和圍繞樣品臺轉動的光電探測器，能夠測試不同入射、出射角度的光譜特性；2)採用了偏振器，可以通過旋轉偏振器的角度改變測試光束的偏振方向，能夠測量不同的偏振光的光譜特性；3)在光電探測器前採用了積分球，使得光線從不同方向進入積分球的都得到相同的測量結構，從而消除了由於厚樣品引起光線偏折所產生的探測器上光信號和實際光信號的差異，使儀器可以準確測量較厚光學器件的光譜特性(樣器的厚度可厚達120mm)；4)該儀器採用計算機自動控制，能夠自動控制單色儀進行波長掃描，自動控制樣品臺的角度，光電探測器的方位以及測試偏振光狀態等。
權利要求1．液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀，其特徵在於1)它依次包括白光光源[1]、透鏡[2]、單色儀[3]、準直透鏡[4]、濾色片轉盤[5]、偏振器[6]，放置被測樣品[8]的樣品臺[7]，由金屬積分球[9.4]和光電倍增管[9.1]組成的光電探測器[9]空套在樣品臺[7]的轉軸上；2)光電探測器[9]中的光電倍增管[9.1]接信號轉換與程控放大模塊[10]，經A/D採集卡[11]與計算機[15]相連；單色儀[3]、濾色片轉盤[5]、偏振器[6]、樣品臺[7]、光電探測器[9]的位置探測與反饋電路[13]接步進電機驅動與控制模塊[12]，經I/O卡[14]與計算機[15]相連。
2．根據權利要求1所述的液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀，其特徵在於1)信號轉換與程控放大模塊[10]的J1腳、B1腳分別接A/D採集卡[11]和光電倍增管[9.1]的一端，信號轉換與程控放大模塊[10]的J2腳和高壓模塊[17]的J3腳接電源，高壓模塊[17]的B2腳、J4腳分別接光電倍增管[9.1]的另一端和樣品池門開關[16]；2)步進電機驅動與控制模塊[12]的P1、P2腳分別接I/O卡和電源；P3、P4腳分別接光電探測器位置傳感光電開關0-DEG和90-DEG；P5、P6腳分別接濾色片轉盤位置傳感光電開關L和H；P7、P8腳分別接單色儀波長位置傳感光電開關MIN和MAX；P9腳接樣品臺位置傳感光電開關0-DEG；P10腳接偏振片位置傳感光電開關0-DEG；J1、J2、J3、J4、J5腳分別接樣品臺電機[7.1]、偏振片電機[6.1]、探測器電機[9.5]、濾色片電機[5.1]和單色儀電機[3.1]；X1、Y1腳，X2、Y2腳，X3、Y3腳，X4、Y4腳，X5、Y5腳分別接樣品臺驅動模塊[7.2]，偏振片驅動模塊[6.2]，光電探測器驅動模塊[9.6]，濾色片驅動模塊[5.2]和單色儀驅動模塊[3.2]。
3．根據權利要求1所述的液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀，其特徵在於光電探測器[9]包括內塗有反光層氧化鎂塗層[9.3]的金屬積分球[9.4]，金屬積分球[9.4]的一端能接收測量光束，另一端經漫射板[9.2]接光電倍增管[9.1]。
4．根據權利要求1或2或3所述的液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀，其特徵在於光電倍增管[9.1]為GDB-159，信號轉換與程控放大模塊[10]為AK002，步進電機驅動與控制模塊[12]為BK201，樣品池門開關[16]和位置傳感光電開關為GK151，高壓模塊[17]為WG956，驅動模塊為BQ201。
專利摘要液晶投影機中的分色合色元件的光譜檢測儀,依次包括白光光源、透鏡、單色儀、準直透鏡、濾色片轉盤、偏振器、樣品臺、光電探測器。光電探測器中的光電倍增管接信號轉換與程控放大模塊,經A/D卡與計算機相連;單色儀、濾色片轉盤、偏振器、樣品臺、光電探測器的位置探測與反饋電路接步進電機驅動與控制模塊,經I/O卡與計算機相連。利用轉動的光電探測器和偏振器能測試各種形狀各異的,不同入射角、出射角度的偏振光光譜特性的分色合色元件。
文檔編號G01J3/28GK2439018SQ0024828
公開日2001年7月11日 申請日期2000年9月1日 優先權日2000年9月1日
發明者李海峰, 劉旭, 黃文標, 劉向東, 顧培夫, 唐晉發 申請人:浙江大學