用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于：包括可实现光斑特性调节的照明镜头、机械调节机构以及多功能光源支架，可实现光斑特性调节的照明镜头通过机械调节机构在多功能光源支架上安装调节，共同形成在3.2m的高度上，地面均匀照明光斑可达300mm，光谱辐出度超过20μW.cm?2.nm?1，照明均匀度优于95%的照明光源系统。本发明可实现目标的窄波段、宽波段均匀照明，光谱辐出度高、照明角度可调、照明区域大小可调，可用作目标的反射率特性、方向特性、表面偏振特性等光学特性研究的实验室照明光源。
【专利说明】
用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源
技术领域
[0001]本发明属于光学遥感设备领域，具体涉及一种用于目标光学特性研究的实验室内高光谱辐出度均匀照明光源。
【背景技术】
[0002]在光学遥感领域，在实验室开展目标的反射特性、方向特性或表面偏振特性研究时，通常采用人工光源作为照明光源。对于这类光源来说，一般要求其波段范围能够覆盖探测设备的工作波段，其辐射输出能够模拟太阳的光谱辐出度，光源的照明角度能够模拟太阳的照明角度(天顶角和方位角)，此外光源还必须满足一定的照明均匀性要求。
[0003]目前室内的地物目标反射特性、偏振特性研究中经常使用卤素灯装置进行照明。卤素灯照明装置主要由大功率卤素灯光源箱和三脚架组成，通过三脚架控制光源的照明角度。光源箱内部照明系统通常由灯泡和凹面反射镜组成，通过调节凹面反射镜位置控制光源聚焦或准直出射，更简单的是:将大功率的卤素灯放置在密闭的光源箱中，灯箱一面开孔出光，一般来说，这类光源箱的照明光斑是不均匀的，呈现中间强边缘弱的特点。受限于三脚架的高度和可调节范围，照明光源的照明角度可调范围有限。此外，卤素灯的光谱辐射分布在短波处辐出度较低，在370?700nm卤素灯照明装置光谱辐出度约为卜5yW.cm—2.nm—1，与地物目标的自然照明状态相差甚远。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决传统目标光学特性研究中照明光源光谱辐出度低、照明不均匀的技术局限性，提供一种高光谱辐出度、均匀性良好的照明光源。此外，在光源照明角度可调，能够在较大范围内模拟不同的照明角度，适用于目标光学特性(如方向反射率特性，表面偏振特性)的测量研究。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:包括可实现光斑特性调节的照明镜头、机械调节机构以及多功能光源支架，可实现光斑特性调节的照明镜头通过机械调节机构在多功能光源支架上安装调节，共同形成在3.2m的高度上，地面均匀照明光斑可达300mm，光谱辐出度超过20yW.cm—2.nm—1，照明均匀度优于95%的照明光源系统。
[0006]可实现光斑特性调节的照明镜头包括可调节镜筒以及安装在可调节镜筒内的照明光学系统，所述的照明光学系统包括贴片式面阵LED发光光源、透射式匀光片、透射式复消色差照明镜头，所述的透射式匀光片设置在贴片式面阵LED发光光源后方5mm附近，其后方设置有透射式复消色差照明镜头，并且透射式匀光片位于透射式复消色差照明镜头的物方焦点附近，贴片式面阵LED发光光源发出的光束先经过透射式匀光片匀光后，再经过透射式复消色差照明镜头照明在目标上，通过旋转可调节镜筒上的调节螺环来调节透射式匀光片与透射式复消色差照明镜头的相对位置，实现照明光斑照明大小和照明均匀性调节。
[0007]所述的贴片式面阵LED发光光源中的每个LED晶元按阵列分布安装在一圆形薄黄铜基板上，该黄铜基板安装在一厚铝板上组成照明光源整体安装在镜筒内，同时厚铝板上铣有蛇形水冷槽，使用循环水冷系统实现对大功率面阵LED发光光源的制冷。
[0008]所述的贴片式面阵LED发光光源，可根据需要配置同一种中心波长的LED晶元实现窄波段照明或配置多种不同中心波长的LED晶元实现多波段或宽波段照明。
[0009]所述的透射式匀光片为全息扩散片、石英毛玻璃或乳白玻璃毛玻璃片中的任意一种。
[0010]所述透射式复消色差照明镜头安装在可调节镜筒后端的镜筒本体内，该部分的镜筒本体两侧设有导向卡槽，透射式复消色差照明镜头通过设置在导向卡槽内卡条卡紧安装在的镜筒本体内，镜筒本体外表面以及外部设有相互配合的细牙外螺纹以及螺纹螺环，通过旋动调节螺环带动卡条在导向卡槽中上下移动进行实现透射式复消色差照明镜头±25mm的移动调节范围，所述的
述的机械调节机构为一对连接支耳以及固定在连接支耳上的转接附件，连接支耳上设有呈圆弧分布的销钉孔，销钉孔以5°为间隔，可通过将销钉安装将照明镜头安装在不同的销钉孔中，简单、方便、可靠地实现不同的照明角度，转接附件用于将不同的照明角度的照明镜头固定在光源支架的横杆上。
[0011]所述多功能光源支架包括可上下升降的主臂，主臂采用双竖型材杆搭建，双竖型材杆之间设有加强杆，共同保证支架的稳定性，可上下升降的主臂和横杆之间还设有加强斜撑来保证横杆的刚度，可上下升降的主臂的升降高度为1.8-3.2m，保证站立地面工作人员的可操作性和不同高度照明高度的需要。所述主臂上方安装有可以实现横向滑动的横杆，横向滑动可以实现照明臂长的调节，即实现地面光斑的位置的调节，这样保证待测目标物始终处在光斑中心、不必移动，横杆的一端通过机械调节结构安装有照明镜头，横杆的另一端安装有配重块实现系统重心分布在光源支架可上下升降的主臂的正下方，配重块在实际使用中可以通过软绳悬挂在横杆另一端并悬挂接近地面，视重量不同而增减;所述的光源支架可上下升降的可上下升降的主臂的底部设有方形底盘，方形底盘下方均匀设有可小范围移动的四个脚轮，可以通过脚轮推动整个支架在地面的移动，改变光源入射的方位角；系统重心在配重块协调作用下作用在方形底盘的中心。
[0012]本发明的优点:
该照明装置可以从相对较高的高度上提供顶视和多种角度斜下视的室内照明，能对太阳光进行更加接近的模拟和近似，并具有一些不可替代的作用:具有及时、现场、可受人工控制、不受天气影响等特点。通过横杆滑动移动光源筒，可以实现地面的照明光斑位置基本固定，这样保证待测目标物始终处在中心、不必移动;本发明装置具有高光谱辐出度，超过20yW.cm—2.nm—S接近0.1个太阳常数。并且通过更换不同波长的LED光源，可以实现不同波段的出射光。室内实验证明，该照明光源稳定可靠、操作简单、成本低、模拟效果好。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的光源筒的内部剖视图:
其中:Al下端螺环、A2镜筒本体、A3卡条、A4调节螺环、A5透射式复消色差照明镜头、A6上端螺环、A7透射式匀光片、AS贴片式面阵LED发光光源、A9水冷槽。
[0014]图2为本发明的照明调节机构示意图:
其中:BI照明镜头、B2连接支耳、B3角度调节孔位、B4型材连接附件。
[0015]图3为本发明的总系统示意图:
其中:C2横杆、C3加强斜撑、C4加强杆、C5四根槽条、C6六个把手、C7配重块、CS两根竖杆、C9长方形底盘框架、Cl O脚轮。
【具体实施方式】
[0016]如图1-3所示，用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:包括可实现光斑特性调节的照明镜头、机械调节机构以及多功能光源支架，可实现光斑特性调节的照明镜头通过机械调节机构在多功能光源支架上安装调节，共同形成在3.2m的高度上，地面均匀照明光斑可达300mm，光谱辐出度超过20yW.cm—2.nm—1，照明均匀度优于95%的照明光源系统。
[0017]如图1所示，可实现光斑特性调节的照明镜头包括可调节镜筒以及安装在可调节镜筒内的照明光学系统，所述的照明光学系统包括贴片式面阵LED发光光源AS、透射式匀光片A7、透射式复消色差照明镜头A5，所述的透射式匀光片A7设置在贴片式面阵LED AS后方5mm附近，其后方设置有透射式复消色差照明镜头A5，并且透射式匀光A7片位于透射式复消色差照明镜头A5的物方焦点附近，贴片式面阵LED AS发出的光束先经过透射式匀光片A7匀光后，再经过透射式复消色差照明镜头A5照明在目标上，通过旋转可调节镜筒上的调节螺环A4来调节透射式匀光片A7与透射式复消色差照明镜头A5的相对位置，实现照明光斑照明大小和照明均匀性调节。
[0018]所述的贴片式面阵LEDAS中的每个LED晶元按阵列分布安装在一圆形薄黄铜基板上，该黄铜基板安装在一厚铝板上组成照明光源整体安装在镜筒内，同时厚铝板上铣有蛇形水冷槽A9，使用循环水冷系统实现对大功率面阵LED发光光源的制冷。
[0019]所述的贴片式面阵LEDAS，可根据需要配置同一种中心波长的LED晶元实现窄波段照明或配置多种不同中心波长的LED晶元实现多波段或宽波段照明。
[0020]所述的透射式匀光片A7为全息扩散片、石英毛玻璃或乳白玻璃毛玻璃片中的任意一种。
[0021]所述透射式复消色差照明镜头安装在可调节镜筒后端的镜筒本体A2内，该部分的镜筒本体A2两侧设有导向卡槽，透射式复消色差照明镜头A5通过设置在导向卡槽内卡条卡紧A3安装在的镜筒本体A2内，镜筒本体A2外表面以及外部设有相互配合的细牙外螺纹以及螺纹螺环A4，通过旋动调节螺环A4带动卡条A3在导向卡槽中上下移动进行实现透射式复消色差照明镜头A5的±25mm的移动调节范围，由于复消色差照明镜头A5是通过卡条A3卡紧的，而卡条A3只在导向卡槽内移动，所以调节只可以实现透射式复消色差照明镜头A5的上下移动，而不是转动。螺纹螺环A4的下端和上端还分别设有下端螺环Al和上端螺环A6，下端螺环Al和上端螺环A6的主要功能是将导向卡槽盖住，使外部不漏光，也可以作为调节螺环A4锁死使用，通过光学细牙螺纹的配合调节透射式复消色差照明镜头A5可以使调整更精细。
[0022]如图2所示，所述的述的机械调节机构为一对连接支耳B2以及固定在连接支耳上的转接附件，连接支耳上设有呈圆弧分布销钉孔用作角度调节孔位B3，销钉孔以5°为间隔，可通过将销钉将照明镜头BI安装在不同的销钉孔中，简单、方便、可靠地实现不同的照明角度形成不同的照明角度的照明镜头，转接附件为型材连接附件B4，用于将不同的照明角度的照明镜头固定在光源支架的横杆C2上。
[0023]安装在主臂上并可实现横向滑动的横杆C2长度3.5m，在主臂上的横向滑动可以实现照明臂长的调节，即实现地面光斑的位置的调节，这样保证待测目标物始终处在光斑中心、不必移动。
[0024]所述的光源支架可上下升降的主臂采用双竖杆型材搭建，双竖杆型材为四根可升降槽条C5，四根可升降槽条C5之间设有加强杆C4，共同保证支架的稳定性，可上下升降的主臂的升降高度为1.8-3.2m，保证站立地面工作人员的可操作性和不同高度照明高度的需要。可上下升降的主臂和横杆C2之间还设有加强斜撑C3来保证横杆的刚度，可上下升降的主臂的底部设有长方形底盘框架C9，方形底盘下方均匀设有可小范围移动的四个脚轮C10，可以通过脚轮推动整个支架在地面的移动，改变光源入射的方位角；系统重心在配重块C7协调作用下作用在方形底盘C9的中心，配重块在实际使用中可以通过软绳悬挂在横杆C2另一端并悬挂接近地面，视重量不同而增减。
[0025]对本系统进行测试，本系统提供了3.2m高的室内顶视、可调角度的高光谱辐出度均匀照明光源，装置可以降到1.Sm高度，人站立地面手动调节照明角度和光斑位置。也就是说在3.2m高度上，可以提供90°?40°高度角的匀化照明，角度间隔为5°，地面可以得到直径约300mm、照明均匀度优于95%、光谱辐出度超过20yW.cm_2.nm-1，接近0.1个太阳常数的均匀光斑，通过手动调节，光斑可以始终处于中心位置，不偏离目标。如果还需要改变入射方位角，可以通过整体移动光源架来实现。
[0026]在实验室偏振测量水面特性实验中，对着水池和人工模拟的水浪，通过偏振相机观测，在顶视和其他不同入射角度下，可以模拟太阳光照耀下的水面耀斑效果，可以观测到目标偏振信息的差异，在水面耀斑背景下采用偏振方法观测和解析目标，在室内低成本、初始偏振解析研究中，已经发挥了实际作用。
【主权项】
1.用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:包括可实现光斑特性调节的照明镜头、机械调节机构以及多功能光源支架，可实现光斑特性调节的照明镜头通过机械调节机构在多功能光源支架上安装调节，共同形成在3.2m的高度上，地面均匀照明光斑可达300mm，光谱辐出度超过20yW.cm—2.nm—1，照明均匀度优于95%的照明光源系统。2.如权利要求1所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:可实现光斑特性调节的照明镜头包括可调节镜筒以及安装在可调节镜筒内的照明光学系统，所述的照明光学系统包括贴片式面阵LED发光光源、透射式匀光片、透射式复消色差照明镜头，所述的透射式匀光片设置在贴片式面阵LED发光光源后方5mm附近，其后方设置有透射式复消色差照明镜头，并且透射式匀光片位于透射式复消色差照明镜头的物方焦点附近，贴片式面阵LED发光光源发出的光束先经过透射式匀光片匀光后，再经过透射式复消色差照明镜头照明在目标上，通过旋转可调节镜筒上的调节螺环来调节透射式匀光片与透射式复消色差照明镜头的相对位置，实现照明光斑照明大小和照明均匀性调节。3.如权利要求2所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述贴片式面阵LED发光光源中的每个LED晶元按阵列分布安装在一圆形薄黄铜基板上，该黄铜基板安装在一厚铝板上组成照明光源整体安装在可调节镜筒前端，同时厚铝板上铣有蛇形水冷槽，使用循环水冷系统实现对大功率面阵LED发光光源的制冷。4.如权利要求2所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述的贴片式面阵LED发光光源，可根据需要配置配置同一种中心波长的LED晶元实现窄波段照明或配置多种不同中心波长的LED晶元实现多波段或宽波段照明。5.如权利要求2所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述的透射式匀光片为全息扩散片、石英毛玻璃或乳白玻璃毛玻璃片中的任意一种。6.如权利要求2所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述透射式复消色差照明镜头安装在可调节镜筒后端的镜筒本体内，该部分的镜筒本体两侧设有导向卡槽，透射式复消色差照明镜头通过设置在导向卡槽内卡条卡紧安装在的镜筒本体内，镜筒本体外表面以及外部设有相互配合的细牙外螺纹以及螺纹螺环，通过旋动调节螺环带动卡条在导向卡槽中上下移动进行实现透射式复消色差照明镜头±25mm的移动调节范围。7.如权利要求1所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述的机械调节机构为一对连接支耳以及固定在连接支耳上的转接附件，连接支耳上设有呈圆弧分布的销钉孔，销钉孔以5°为间隔，可通过将销钉安装将照明镜头安装在不同的销钉孔中，形成不同的照明角度的照明镜头，转接附件用于将不同的照明角度的照明镜头固定在光源支架的横杆上。8.如权利要求1所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述多功能光源支架包括可上下升降的主臂，所述主臂上方安装有可以实现横向滑动的横杆，横杆的一端通过机械调节结构安装有照明镜头，横杆的另一端安装有配重块实现系统重心分布在光源支架可上下升降的主臂的正下方。9.如权利要求8所述的用于目标光学特性研究的室内高光谱辐出度均匀照明光源，其特征在于:所述的光源支架可上下升降的主臂升降高度为1.8-3.2m，采用双竖型材杆搭建，双竖型材杆之间设有加强杆，可上下升降的主臂和横杆之间还设有加强斜撑，可上下升降的主臂的底部设有方形底盘，方形底盘下方设有均匀四个脚轮。
【文档编号】F21Y115/10GK105927937SQ201610477708
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】孟凡刚, 袁银麟, 郑小兵, 翟文超, 李健军
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院