一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)，涉及光源分布測試系統(tǒng)。設(shè)有樣品控溫夾具、光譜采集裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、電流源、計算機；光譜采集裝置設(shè)有十六路光纖、余弦收集器、十六路光復(fù)用器、CCD光譜儀和十六路光纖固定夾具；旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)有電動旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)臺控制器；樣品控溫夾具設(shè)在電動旋轉(zhuǎn)臺上，樣品控溫夾具與電流源連接，余弦收集器用于光譜輻射的取樣，收集180°立體角內(nèi)的光；十六路光纖套在余弦收集器上并作為入光口，余弦收集器固定在十六路光纖固定夾具上；旋轉(zhuǎn)裝置用于控制十六路光纖的轉(zhuǎn)動，電動旋轉(zhuǎn)臺由計算機設(shè)定每次旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)總角度和旋轉(zhuǎn)方向，電動旋轉(zhuǎn)臺帶動十六路光纖旋轉(zhuǎn)。
【專利說明】
-種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光源分布測試系統(tǒng)，尤其是設(shè)及一種光源近場空間分布多路測試系 統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 光強空間分布是指從光源發(fā)出的光在空間上的分布特性，是燈具相關(guān)光學(xué)設(shè)計研 究的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容之一。燈具的分布光度性能是影響照明質(zhì)量的關(guān)鍵因素。采用科學(xué)的 測試方法、選擇合適的儀器是獲得準(zhǔn)確的燈具分布光度特性的基礎(chǔ)。分布光度計是測量光 源和燈具空間發(fā)光強度分布的光度測量設(shè)備。主要有兩種用途：1)測量光源在空間仙立體 角范圍內(nèi)，每一方向上的光強，根據(jù)采樣立體角進(jìn)行區(qū)域光通量的計算，從而得到光源的總 光通量。因此，分布光度計是實現(xiàn)從發(fā)光強度基準(zhǔn)過渡到總光通量基準(zhǔn)的重要手段。2)測量 燈具在空間各方向上的S維光強分布，測量的數(shù)據(jù)應(yīng)用于照明工程，根據(jù)燈具的安裝方式， 空間結(jié)構(gòu)等實際條件，計算工作面上的照度分布W及其它相應(yīng)的光學(xué)參數(shù)。
[0003] 目前，常用的分布光度計結(jié)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計、運動反光鏡式分布光 度計和旋轉(zhuǎn)燈具式分布光度計等幾種。中屯、旋轉(zhuǎn)反光鏡式測量需要被測光源在一個相當(dāng)大 的空間范圍內(nèi)作類圓周運動，同時反射鏡和輔助軸必須與主軸W相同的角速度反向同步轉(zhuǎn) 動，運種測量方式對被測光源的發(fā)光穩(wěn)定性及系統(tǒng)各軸同步轉(zhuǎn)動要求極高;運動反光鏡式 測量方法無需被測光源在空間作大范圍的運動，但被測光源反射到探測器上的光束在測量 過程中方向會隨時變化，若探測器在各個方向上的靈敏度不一致，將會造成光度測量結(jié)果 存在較大誤差;旋轉(zhuǎn)掃描測量，最常見的測量方法是采用一個光度探測器，可選擇光源不 動，光度探測器圍繞它旋轉(zhuǎn)掃描，也可旋轉(zhuǎn)光度探測器不動，光源圍繞一個固定中屯、點旋 轉(zhuǎn)。運種旋轉(zhuǎn)掃描的測量方法測試時間冗長，實時性差，在測量時間內(nèi)樣品的溫度可能會發(fā) 生變化，引起光強波動導(dǎo)致測量過程的前期和后期光強數(shù)據(jù)不一致，造成較大的測量誤差 [參見中國專利CN104977155A]。
[0004] 現(xiàn)有的分布光度計體積龐大，對空間要求過高。在光學(xué)設(shè)計中，傳統(tǒng)方法多W光源 的遠(yuǎn)場測試數(shù)據(jù)為設(shè)計依據(jù)，而遠(yuǎn)場測試僅僅是對光源相對粗糖的測量，并不能精確地描 述光源的空間光分布情況。近場模型則將光源看作1個復(fù)雜的面光源，來研究其實際發(fā)光情 況。特別是通過對光源進(jìn)行近場測試，可W獲得包含光線數(shù)量、光線起點、光線角度范圍、各 光線所攜帶的能量、色度坐標(biāo)和總光通量等詳細(xì)信息的光線集文件。光源近場測量獲取的 光源光線集可W為光學(xué)設(shè)計提供更為詳細(xì)的光源的光空間分布信息。
[0005] 傳統(tǒng)光源近場空間分布測試往往僅有一個探頭，需要依靠=維轉(zhuǎn)動機構(gòu)進(jìn)行空間 光強探測，測試時間冗長，實時性差。另一方面，傳統(tǒng)測試方法通常是轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶著樣品或 燈具旋轉(zhuǎn)，容易由于燈具重量過大或轉(zhuǎn)動機構(gòu)精度不足引起定位不準(zhǔn)、接觸不良等問題，降 低了測試的可靠性和穩(wěn)定性。因此，快速獲取光強空間分布特性，同時提高光強檢測精度和 效率是非常有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的光源近場空間分布測試時間長、測試裝置復(fù)雜、測 試時效性差等問題，提供一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明設(shè)有樣品控溫夾具、光譜采集裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、電流源、計算機;所述光譜采 集裝置設(shè)有十六路光纖、余弦收集器、十六路光復(fù)用器、CCD光譜儀和十六路光纖固定夾具； 所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)有電動旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)臺控制器；
[0008] 所述樣品控溫夾具設(shè)在電動旋轉(zhuǎn)臺上，樣品控溫夾具與電流源連接，余弦收集器 用于光譜福射的取樣，收集180°立體角內(nèi)的光;十六路光纖套在余弦收集器上并作為入光 口，余弦收集器固定在十六路光纖固定夾具上;所述旋轉(zhuǎn)裝置用于控制十六路光纖的轉(zhuǎn)動， 電動旋轉(zhuǎn)臺由計算機設(shè)定每次旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)總角度和旋轉(zhuǎn)方向，電動旋轉(zhuǎn)臺帶 動十六路光纖旋轉(zhuǎn)，還可W進(jìn)行復(fù)位操作，使十六路光纖回到開始的位置。
[0009] 所述十六路光纖固定夾具可包括十六個采樣套筒、圓環(huán)和圓環(huán)固定支架;采樣套 筒的上部是光纖支架，避免光纖過分彎曲；采樣套筒的下部是光纖-余弦收集器固定支架， 分為兩層圓管，分別固定余弦校正器和光纖，并在下方設(shè)置擋光板，使余弦收集器的受光面 與入射光線方向垂直，采樣套筒底部是兩邊開口的長方體。圓環(huán)是兩個夾角為200度的上半 圓弧組成，與采樣套筒底部的長方體配合，固定采樣套筒。圓環(huán)固定支架上方開有和采樣套 筒一樣的弧形夾角，并在兩側(cè)開孔，用于固定圓環(huán)在旋轉(zhuǎn)臺上。光復(fù)用器是通過電機轉(zhuǎn)動切 換光通道的裝置，16個入光口通過計算機控制，選擇其中1個通道與輸出口相連實現(xiàn)光輸 出。16個通道的光通過16條光纖分別傳輸?shù)焦鈴?fù)用器中，十六路光復(fù)用器輪流切換輸出的 光通道，并通過光纖將輸出光從出光口傳輸?shù)紺CD光譜儀中，光譜儀將光通過光柵進(jìn)行分 光，并通過CCD采集光信號。
[0010] 所述計算機包括控制部分和數(shù)據(jù)處理部分，所述控制部分包括光譜儀采集控制、 旋轉(zhuǎn)臺控制和光復(fù)用器通道切換控制，計算機控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，計算機控制光復(fù)用器選擇 通道，通過光譜儀進(jìn)行光譜采集，對十六路的光譜逐一采集;所述數(shù)據(jù)處理部分包括參數(shù)計 算、光強分布外推，所述參數(shù)計算包括光學(xué)和色度學(xué)參數(shù)計算，通過將光譜儀采集到的光譜 進(jìn)行光色參數(shù)計算，如福照度、光照度、色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、峰值波長、主波長等。并直 接畫出光源近場二維分布和=維空間分布。
[0011] 其中光功率和光通量的計算方法如下：
[0012] 將每個探頭旋轉(zhuǎn)一周測量得到的光照度和乘W當(dāng)前探頭所在球帶按旋轉(zhuǎn)次數(shù)n平 分的子面積就可W得到每個探頭探測球帶的光通量，光功率則是用福照度乘W面積累加所 得。設(shè)一周360°旋轉(zhuǎn)n次，探頭間隔a。（下列各式中i = l
[0013] 第i個探頭所在球帶的面積：
[0014]
[0015] 其中，a為探頭間隔角度。
[0016] 對于第i個探頭其光通量：
[0017]
[001引其中Ell,-Ein為第i個探頭旋轉(zhuǎn)n次的所測得的各個光照度，a為探頭間隔角度。
[0019] 所W，總光通量夢=約+與2 +... +約6。
[0020] 同理，對于光功率計算只需將測量到的光照度換成福照度即可。
[0021] 外推遠(yuǎn)場光強分布主要用到蒙特卡洛光線追蹤方法。把當(dāng)前測量的數(shù)據(jù)點當(dāng)成半 球形分布的面光源。用(x，y，z)表示光線出射點的坐標(biāo)，（l，m，n)表示光線在直角坐標(biāo)系中 的方向，Q表示光線攜帶的光通量。把測到的數(shù)據(jù)點W及光通量代入后，只需要對光線方向 進(jìn)行蒙特卡洛模擬。對于面光源，光線方向只是在半個球體范圍內(nèi)，即表面上發(fā)光點的出射 光線的方向范圍是化立體角內(nèi)，所W :
[0022] 取(0，1)上均勻分布的（偽）隨機數(shù)n，n，則：
[0023]
U.)
[0024] 其中，0，d)表示光線在球坐標(biāo)系中的與X軸，Z軸的夾角。
[0025] 單位球面上均勻分布的隨機點的一次抽樣，對應(yīng)于隨機抽樣光線的方向：
[0026]
媽
[0027] 其中，l，m，n表示光線在直角坐標(biāo)系中的方向的=個坐標(biāo)值。
[0028] 與傳統(tǒng)的傳統(tǒng)光源近場空間分布測量系統(tǒng)比較，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0029] 1.不用旋轉(zhuǎn)測試樣品，減少由于燈具過大或者轉(zhuǎn)動機構(gòu)精度不足引起定位不足， 接觸不良等問題，增加了測試的可靠性和穩(wěn)定性；
[0030] 2 .旋轉(zhuǎn)一次就可W得到=維空間分布，快速獲取光源近場空間分布特性，減少測 量時間，避免因時間過長造成數(shù)據(jù)測量不精準(zhǔn)；
[0031 ] 3.能很好地和光纖-余弦校正器配合，方便測試樣品多種參數(shù)；
[0032] 4.探頭可W根據(jù)不同光源的發(fā)射角隨時改變分布；
[0033] 5.運用蒙特卡洛方法外推遠(yuǎn)場光強空間分布。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0035] 圖2為本發(fā)明實施例測量到的光源近場二維分布圖。
[0036] 圖3為本發(fā)明實施例測量到的光源近場=維分布圖。
【具體實施方式】
[0037] 參見圖1，本發(fā)明實施例設(shè)有樣品控溫夾具1、光譜采集裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、電流源9、 計算機10;所述光譜采集裝置設(shè)有十六路光纖4、余弦收集器2、十六路光復(fù)用器5、CCD光譜 儀6和十六路光纖固定夾具3;所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)有電動旋轉(zhuǎn)臺7和旋轉(zhuǎn)臺控制器8。所述樣品 控溫夾具1設(shè)在電動旋轉(zhuǎn)臺7上，樣品控溫夾具1與電流源9連接，余弦收集器2用于光譜福射 的取樣，收集180°立體角內(nèi)的光;十六路光纖4套在余弦收集器2上并作為入光口，余弦收集 器2固定在十六路光纖固定夾具3上;所述旋轉(zhuǎn)裝置用于控制十六路光纖4的轉(zhuǎn)動，電動旋轉(zhuǎn) 臺7由計算機10設(shè)定每次旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)總角度和旋轉(zhuǎn)方向，電動旋轉(zhuǎn)臺7帶動十 六路光纖4旋轉(zhuǎn)，還可W進(jìn)行復(fù)位操作，使十六路光纖4回到開始的位置。
[0038] 所述十六路光纖固定夾具3可包括十六個采樣套筒、圓環(huán)和圓環(huán)固定支架;采樣套 筒的上部是光纖支架，避免光纖過分彎曲；采樣套筒的下部是光纖-余弦收集器固定支架， 分為兩層圓管，分別固定余弦校正器和光纖，并在下方設(shè)置擋光板，使余弦收集器的受光面 與入射光線方向垂直，采樣套筒底部是兩邊開口的長方體。圓環(huán)是兩個夾角為200度的上半 圓弧組成，與采樣套筒底部的長方體配合，固定采樣套筒。圓環(huán)固定支架上方開有和采樣套 筒一樣的弧形夾角，并在兩側(cè)開孔，用于固定圓環(huán)在旋轉(zhuǎn)臺上。光復(fù)用器是通過電機轉(zhuǎn)動切 換光通道的裝置，16個入光口通過計算機控制，選擇其中1個通道與輸出口相連實現(xiàn)光輸 出。16個通道的光通過16條光纖分別傳輸?shù)焦鈴?fù)用器中，十六路光復(fù)用器輪流切換輸出的 光通道，并通過光纖將輸出光從出光口傳輸?shù)紺CD光譜儀中，光譜儀將光通過光柵進(jìn)行分 光，并通過CCD采集光信號。
[0039] 所述計算機包括控制部分和數(shù)據(jù)處理部分，所述控制部分包括光譜儀采集控制、 旋轉(zhuǎn)臺控制和光復(fù)用器通道切換控制，計算機控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，計算機控制光復(fù)用器選擇 通道，通過光譜儀進(jìn)行光譜采集，對十六路的光譜逐一采集;所述數(shù)據(jù)處理部分包括參數(shù)計 算、光強分布外推，所述參數(shù)計算包括光學(xué)和色度學(xué)參數(shù)計算，通過將光譜儀采集到的光譜 進(jìn)行光色參數(shù)計算，如福照度、光照度、色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、峰值波長、主波長等。并直 接畫出光源近場二維分布和=維空間分布。
[0040] W下給出本發(fā)明實施例的使用方法：
[0041] 1)選取樣品固定在夾具上，并按照圖1連接各儀器；
[0042] 2)測試階段:設(shè)置好每次旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)總角度和旋轉(zhuǎn)方向；初始化光 譜儀，進(jìn)行暗電流校準(zhǔn);開始測試，旋轉(zhuǎn)設(shè)定的單個角度，十六路探頭依次采集光譜，畫出當(dāng) 前位置的二維分布;繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至旋轉(zhuǎn)完360度，畫出照度=維分布。
[0043] 3)分析階段:進(jìn)行光通量和光功率的計算;使用蒙特卡洛算法將光源近場空間分 布外推到無窮遠(yuǎn)處。
[0044] 本發(fā)明實施例測量到的光源近場二維分布圖參見圖2,本發(fā)明實施例測量到的光 源近場=維分布圖參見圖3。
【主權(quán)項】
1. 一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有樣品控溫夾具、光譜采集裝 置、旋轉(zhuǎn)裝置、電流源、計算機;所述光譜采集裝置設(shè)有十六路光纖、余弦收集器、十六路光 復(fù)用器、CCD光譜儀和十六路光纖固定夾具;所述旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)有電動旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)臺控制 器； 所述樣品控溫夾具設(shè)在電動旋轉(zhuǎn)臺上，樣品控溫夾具與電流源連接，余弦收集器用于 光譜輻射的取樣，收集180°立體角內(nèi)的光;十六路光纖套在余弦收集器上并作為入光口，余 弦收集器固定在十六路光纖固定夾具上;所述旋轉(zhuǎn)裝置用于控制十六路光纖的轉(zhuǎn)動，電動 旋轉(zhuǎn)臺由計算機設(shè)定每次旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)總角度和旋轉(zhuǎn)方向，電動旋轉(zhuǎn)臺帶動十 六路光纖旋轉(zhuǎn)。2. 如權(quán)利要求1所述一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)，其特征在于所述十六路光 纖固定夾具包括十六個采樣套筒、圓環(huán)和圓環(huán)固定支架;采樣套筒的上部是光纖支架，避免 光纖過分彎曲；采樣套筒的下部是光纖-余弦收集器固定支架，分為兩層圓管，分別固定余 弦校正器和光纖，并在下方設(shè)置擋光板，使余弦收集器的受光面與入射光線方向垂直，采樣 套筒底部是兩邊開口的長方體;圓環(huán)是兩個夾角為200度的上半圓弧組成，與采樣套筒底部 的長方體配合，固定采樣套筒;圓環(huán)固定支架上方開有和采樣套筒一樣的弧形夾角，并在兩 側(cè)開孔，用于固定圓環(huán)在旋轉(zhuǎn)臺上。3. 如權(quán)利要求1所述一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)，其特征在于十六路光復(fù)用 器通過電機轉(zhuǎn)動切換光通道，16個入光口通過計算機控制，選擇其中1個通道與輸出口相連 實現(xiàn)光輸出；16個通道的光通過16條光纖分別傳輸?shù)绞饭鈴?fù)用器中，十六路光復(fù)用器 輪流切換輸出的光通道，并通過光纖將輸出光從出光口傳輸?shù)紺CD光譜儀中，CCD光譜儀將 光通過光柵進(jìn)行分光，并通過CCD采集光信號。4. 如權(quán)利要求1所述一種光源近場空間分布多路測試系統(tǒng)，其特征在于所述計算機包 括控制部分和數(shù)據(jù)處理部分，所述控制部分包括光譜儀采集控制、旋轉(zhuǎn)臺控制和光復(fù)用器 通道切換控制，計算機控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，計算機控制光復(fù)用器選擇通道，通過光譜儀進(jìn)行光 譜采集，對十六路的光譜逐一采集;所述數(shù)據(jù)處理部分包括參數(shù)計算、光強分布外推，所述 參數(shù)計算包括光學(xué)和色度學(xué)參數(shù)計算，通過將光譜儀采集到的光譜進(jìn)行光色參數(shù)計算，并 直接畫出光源近場二維分布和三維空間分布。
【文檔編號】G01J3/28GK105954209SQ201610250294
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】呂毅軍, 鄭莉莉, 肖菁菁, 嚴(yán)威, 高玉琳, 朱麗虹, 陳國龍, 郭自泉, 林岳, 陳忠
【申請人】廈門大學(xué)