一种积分半球装置及其应用的制作方法

1.本技术属于光学测量技术领域，具体涉及一种积分半球装置及其应用。


背景技术：

2.照明和显示产业的高速发展为人们的日常生活提供了质的改善，这很大程度上得益于新型发光材料和器件的不断开发和研究。发光光谱、量子效率、光强分布等特性是评价发光材料和器件性能的关键基础指标。由于发光材料和器件所发的光具有空间光强分布不均的特点，发光材料的发光量子效率测试一般需要选用积分球装置来去除空间各向异性的影响。积分半球巧妙地利用了赤道面镜像对称原理，由一个半球面和一面赤道高反射平面构成一个封闭的半球空间，在与同直径积分球起到同样匀光效果的同时将尺寸减小一半，还可提供近乎2倍的光强输出，可以适用更多对装置尺寸有要求的集光和匀光场景。另外，以往积分半球装置存在结构简单、功能单一、换样麻烦的问题，无法满足材料研究人员对材料的光谱、量子效率和光强分布的原位测试及观察需求。


技术实现要素：

3.为了提高材料光致发光特性测试效率、完善发光材料测试功能，特提出一种光谱及产率测试用积分半球装置及测试方法，集发光材料的光谱测试、发光量子效率测试和光强分布成像功能于一体，可简化操作提升测试效率，具有很好的应用前景。
4.本发明提供了一种光谱及产率测试用积分半球装置，集发光材料的光谱测试、量子效率测试和成像功能于一体，可以极大地提高材料和器件的光致发光特性测试效率。
5.本技术的一个方面，提供了一种积分半球装置，所述积分半球装置包括沿光路方向设置的积分半球体、激发光入射模块、发射光出射模块；
6.所述积分半球体包括外壳、样品罩、具有半球型腔体的壳体，所述壳体的腔体底部中心处设有圆孔，所述样品罩安装在所述圆孔处，所述外壳安装在所述壳体的外侧；所述壳体上还设有通孔i-1、通孔ii-1、通孔iii-1；所述外壳设有与所述通孔i-1、通孔ii-1、通孔iii-1位置相对应的通孔i-2、通孔ii-2、通孔iii-2；所述通孔i-1与通孔i-2连通，所述通孔ii-1与所述通孔ii-2连通；所述通孔iii-1与所述通孔iii-2连通；
7.所述激发光入射模块包括进光孔和可旋转的第一反射镜；所述进光孔与所述通孔i-2、通孔i-1连通，形成光路i，所述第一反射镜安装于所述半球型腔体内，所述第一反射镜与所述进光孔成45
°
斜向安装；
8.所述发射光出射模块包括出光孔i、出光孔ii和可伸缩转动的第二反射镜，所述出光孔i与所述通孔ii-2、通孔ii-1连通，形成光路ii，所述光路ii与所述光路i垂直，所述出光孔ii与所述通孔iii-2、通孔iii-1连通；所述第二反射镜安装于所述半球型腔体内，位于所述进光孔相对的位置。
9.可选地，所述激发光入射模块还包括第一旋转电机；所述第一旋转电机安装于所述外壳的顶部、靠近所述进光孔侧；
10.所述第一旋转电机的旋转轴伸入所述半球型腔体内，所述旋转轴的自由端安装有所述第一反射镜。
11.可选地，所述发射光出射模块还包括第二旋转电机、主动齿轮、从动齿轮、推拉电机；
12.所述第二旋转电机安装于所述外壳上；
13.所述第二旋转电机的旋转轴上安装有所述主动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述从动齿轮与所述推拉电机固定连接；
14.所述第二反射镜的背面与聚四氟乙烯板贴合固定；
15.所述推拉电机的推拉轴伸入所述半球型腔体内，所述推拉轴的自由端安装有所述聚四氟乙烯板。
16.可选地，所述通孔i-1、通孔ii-1均开设在所述壳体的侧壁上；
17.所述通孔iii-1开设在所述壳体的顶部、所述圆孔的垂直上方处。
18.可选地，所述积分半球装置还包括用于封闭出光孔i和/或出光孔ii的封闭孔塞。
19.作为一种具体的实施方式，所述积分半球装置包括：主要包括积分半球体，激发光入射模块和发射光出射模块。所述积分半球体由外壳、半球腔体和石英样品罩组成，所述外壳用于保护所述半球腔体，并安装所述激发光入射模块和所述发射光出射模块各部件；所述半球腔体底部中心开设有圆孔，所述石英样品罩安装在所述半球腔体底部中心开设的圆孔处。所述激发光入射模块由进光孔、第一旋转电机和第一反射镜组成，所述进光孔开设在所述外壳和所述半球腔体侧壁上，用于通过激发光进入所述半球腔体内；所述第一旋转电机安装在所述外壳顶部靠近所述进光孔侧，所述旋转电机的旋转轴伸入所述半球腔体内，其端部安装有与所述进光孔成45
°
斜向安装的所述第一反射镜。所述发射光出射模块包括侧出光孔、上出光孔、封闭孔塞、第二旋转电机、主动齿轮、从动齿轮、推拉电机、第二反射镜以及聚四氟乙烯板组成，所述侧出光孔开设在所述外壳和所述半球腔体侧壁与所述进光孔垂直方向上，所述上出光孔开设在所述外壳和所述半球腔体顶部正对所述石英样品罩处，所述封闭孔塞用于有选择性地封闭所述侧出光孔或上出光孔；所述第二旋转电机安装在所述外壳与所述进光孔开设侧壁正对的侧壁上，其旋转轴上安装有所述主动齿轮，所述从动齿轮与所述推拉电机机身紧固连接，并与所述主动齿轮啮合；所述推拉电机安装在所述外壳侧壁与所述进光孔正对位置，所述推拉电机的推拉轴伸入所述半球腔体内，其端部安装有背面贴合固定的所述第一反射镜和所述聚四氟乙烯板。
20.本技术的另一个方面，提供一种发光特性测量装置，所述发光特性测量装置包括所述积分半球装置、光源和光谱系统；
21.所述光源用于发射激发光束通过所述进光孔进入所述半球型腔体内；
22.所述光谱系统用于接收从所述出光孔i出射的激发光；
23.其中，所述积分半球装置选自上述积分半球装置。
24.本技术的再一个方面，提供一种发光材料光谱测试的方法，所述方法采用上述的发光特性测量装置；
25.所述方法包括：
26.(1)将所述待测发光材料试样置于所述样品罩中；
27.(2)通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面正
对所述进光孔；
28.(3)通过所述推拉电机将所述第二反射镜推至所述样品罩的上方；通过所述第二旋转电机的旋转轴带动所述主动齿轮旋转，所述从动齿轮和所述推拉电机被所述主动齿轮带动旋转，使所述第二反射镜的反射面与所述出光孔i中心线成45
°
所述反射面朝下；
29.(4)所述光源发射激发光束，所述激发光束通过所述进光孔进入所述半球型腔体内，经所述第一反射镜反射，透过所述样品罩照射所述待测发光材料试样，所述待测发光材料试样受激发发射的激发光被所述第二反射镜反射，通过所述出光孔i出射；
30.(5)所述光谱系统接收从所述出光孔i出射的激发光，进行所述待测发光材料试样的光谱测试。
31.作为一种具体的实施方式，所述光谱测试的方法包括：
32.所述积分半球装置可置于常规光谱仪器样品仓中，进行所述发光试样的光谱测试方法，如图4所示，将所述发光试样置于所述石英样品罩中；通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面正对所述进光孔；通过所述推拉电机将背面贴合固定的所述第二反射镜和所述聚四氟乙烯板推至所述石英样品罩上方；再通过所述第二旋转电机的旋转轴带动所述主动齿轮旋转，所述从动齿轮与被其紧固连接的所述推拉电机被所述主动齿轮带动旋转至所述反射镜片所述侧出光孔中心线成45
°
并镜面朝下位置，所述封闭孔塞封闭所述上出光孔。激发光通过所述进光孔进入所述半球腔体内，经所述第一反射镜反射透过所述石英样品罩照射所述发光试样，所述发光试样受激发发射的光大部分被所述第二反射镜反射通过所述侧出光孔出射，进行所述发光试样的光谱测试。
33.本技术的又一个方面，提供一种发光材料发光量子效率测试的方法，所述方法采用上述的发光特性测量装置；
34.所述方法包括：
35.(1)测试所述半球型腔体的内环境，获得所述半球型腔体的内环境光谱参数；
36.(2)测试待测发光材料试样的光谱参数，通过与步骤(1)测试所得的所述半球型腔体的内环境光谱参数进行运算得到所述待测发光材料试样的发光量子效率。
37.可选地，所述步骤(1)包括：
38.s01、通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面不正对所述进光孔；
39.s02、所述光源发射激发光束，所述激发光束由所述进光孔进入所述半球型腔体内，经所述第一反射镜反射后打在所述半球型腔体的内壁上；
40.s03、通过所述推拉电机将所述第二反射镜推至所述样品罩上方；通过所述第二旋转电机的旋转轴带动所述主动齿轮旋转，所述从动齿轮和所述推拉电机被所述主动齿轮带动旋转，使所述聚四氟乙烯板朝向所述出光孔i并垂直于所述半球型腔体的底部位置；
41.s04、封闭孔塞封闭出光孔ii，所述激发光束在所述半球型腔体内，经漫反射后通过所述出光孔i出射、进入所述光谱系统，获得所述半球型腔体的内环境光谱参数；
42.其中，所述样品罩中不放置所述待测发光试样。
43.可选地，所述步骤(2)包括：
44.m01、将所述待测发光材料试样置于所述样品罩中，通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面正对所述进光孔；
45.m02、所述光源发射激发光束，所述激发光束由所述进光孔进入所述半球型腔体内，经所述第一反射镜反射、透过所述样品罩照射所述待测发光材料试样；
46.m03、通过所述推拉电机将所述第二反射镜推至所述样品罩上方；通过所述第二旋转电机的旋转轴带动所述主动齿轮旋转，所述从动齿轮和所述推拉电机被所述主动齿轮带动旋转，使所述聚四氟乙烯板朝向所述出光孔i并垂直于所述半球型腔体的底部位置；
47.m04、封闭孔塞封闭出光孔ii，所述激发光束在所述半球型腔体内，经漫反射后通过所述出光孔i出射、进入所述光谱系统，获得所述待测发材料光试样的光谱参数；通过与所述半球型腔体的内环境光谱参数进行运算得到所述待测发光试样的发光量子效率。
48.作为一种具体的实施方式，所述发光量子效率测试的方法包括：
49.第一步，测试所述半球腔体内环境：
50.如图5所示，所述石英样品罩中不放置所述发光试样；通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面不正对所述进光孔，由所述进光孔进入所述半球腔体内的激发光束经所述第一反射镜反射后打在所述半球腔体内壁上；通过所述推拉电机将背面贴合固定的所述第二反射镜和所述聚四氟乙烯板推至所述石英样品罩上方；再通过所述第二旋转电机的旋转轴带动所述主动齿轮旋转，所述从动齿轮与被其紧固连接的所述推拉电机被所述主动齿轮带动旋转至所述聚四氟乙烯板垂直于所述半球腔体底部并面朝向所述侧出光孔位置。所述封闭孔塞封闭所述上出光孔。激发光通过所述进光孔进入所述半球腔体内，经所述第一反射镜反射打在所述半球腔体内壁上，并在所述半球腔体内经多次漫反射后通过所述侧出光孔出射，获得所述半球腔体内环境光谱参数。
51.第二步，测试所述发光试样发光量子效率：
52.如图6所示，将所述发光试样置于所述石英样品罩中；通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面正对所述进光孔；保持背面贴合固定的所述第二反射镜和所述聚四氟乙烯板处于所述石英样品罩上方、同时保持所述聚四氟乙烯板垂直于所述半球腔体底部并面朝向所述侧出光孔位置不变。所述封闭孔塞封闭所述上出光孔。激发光通过所述进光孔进入所述半球腔体内，经所述第一反射镜反射透过所述石英样品罩照射所述发光试样，所述发光试样受激发发射的光在所述半球腔体内经多次漫反射后通过侧出光孔均匀出射，获得具有所述半球腔体内环境影响的所述发光试样的光谱参数，通过与第一步测试所得的所述半球腔体内环境光谱参数进行运算得到所述发光试样发光量子效率。
53.本技术的另一个方面，提供一种发光成像测量装置，所述发光成像测量装置包括所述积分半球装置、光源和成像系统；
54.所述光源用于发射激发光束通过所述进光孔进入所述半球型腔体内；
55.所述成像系统位于所述积分半球装置的上方，用于接收从所述出光孔ii出射的激发光；
56.其中，所述积分半球装置选自上述积分半球装置。
57.本技术的再一个方面，提供一种发光材料发光成像的方法，所述方法采用上述发光成像测量装置；
58.所述方法包括：
59.(a)将所述待测发光材料试样置于所述样品罩中；通过所述第一旋转电机旋转所
述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面正对所述进光孔；通过所述推拉电机将所述第二反射镜拉至远离所述样品罩上方位置；
60.(b)封闭孔塞封闭出光孔i，所述光源发射激发光束，所述激发光束通过所述进光孔进入所述半球型腔体内，经所述第一反射镜反射、透过所述样品罩照射所述待测发光材料试样，所述待测发光材料试样受激发发射的激发光通过所述出光孔ii出射，进入所述成像系统，进行所述待测发光材料试样的发光成像。
61.作为一种具体的实施方式，所述发光成像的方法包括：
62.如图7所示，将所述发光试样置于所述石英样品罩中；通过所述第一旋转电机旋转所述第一反射镜，使所述第一反射镜的反射面不正对所述进光孔，由所述进光孔进入所述半球腔体内的激发光束经所述第一反射镜反射后打在所述半球腔体内壁上；通过所述推拉电机将背面贴合固定的所述第二反射镜和所述聚四氟乙烯板拉至远离所述石英样品罩上方位置。所述封闭孔塞封闭所述侧出光孔。激发光通过所述进光孔进入所述半球腔体内，经所述第一反射镜反射透过所述石英样品罩照射所述半球腔体内壁，并在所述半球腔体内经多次漫反射后匀光照射所述发光试样，所述发光试样受激发发射的光通过正上方所述上出光孔出射，进行所述发光试样的发光成像。
63.本技术能产生的有益效果包括：
64.本技术公开的一种积分半球装置，所述装置可以实现发光试样的光谱、发光量子效率测试以及成像功能，可以提高材料光致发光特性测试效率；同时发光试样被石英样品罩阻隔在积分球之外，换样时不需要打开半球腔体，避免了反复开启半球腔体或装样不慎导致的积分球污染问题。
附图说明
65.图1为本技术实施例中的积分半球装置外观示意图；
66.图2为本技术实施例中的积分半球装置的半剖示意图；
67.图3为本技术实施例中的积分半球装置的第二旋转电机和推拉电机传动示意图；
68.图4为本技术实施例1中的积分半球装置的光谱测试示意图；
69.图5为本技术实施例2中的积分半球装置的发光量子效率测试第一步示意图；
70.图6为本技术实施例2中的积分半球装置的发光量子效率测试第二步示意图；
71.图7为本技术实施例3中的积分半球装置的发光成像示意图。
72.其中：
73.1、外壳，2、半球腔体，3、石英样品罩，4、进光孔，5、第一旋转电机，6、第一反射镜，7、侧出光孔，8、上出光孔，9、封闭孔塞，10、第二旋转电机，11、主动齿轮，12、从动齿轮，13、推拉电机，14、第二反射镜，15、聚四氟乙烯板，16、发光试样。
具体实施方式
74.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
75.本技术提供了一种光谱及产率测试用积分半球装置，集发光材料和器件的光谱测试、发光量子效率测试和成像功能于一体，可以极大地提高材料光致发光特性测试效率。
76.本技术提供的一种光谱及产率测试用积分半球装置，如图1～图3所示，主要包括
积分半球体，激发光入射模块和发射光出射模块。所述积分半球体由外壳1、半球腔体2和石英样品罩3组成，外壳1用于保护半球腔体2，并安装激发光入射模块和发射光出射模块各部件；半球腔体2底部中心开设有圆孔，石英样品罩3安装在半球腔体2底部中心开设的圆孔处。激发光入射模块由进光孔4、第一旋转电机5和第一反射镜6组成，进光孔4开设在外壳1和半球腔体2侧壁上，用于通过激发光进入半球腔体2内；第一旋转电机5安装在外壳1顶部靠近进光孔4侧，旋转电机的旋转轴伸入半球腔体2内，其端部安装有与进光孔4成45
°
斜向安装的第一反射镜6。发射光出射模块包括侧出光孔7、上出光孔8、第二旋转电机10、主动齿轮11、从动齿轮12、推拉电机13、第二反射镜14以及聚四氟乙烯板15组成，侧出光孔7开设在外壳1和半球腔体2侧壁与进光孔4垂直方向上，上出光孔8开设在外壳1和半球腔体2顶部正对石英样品罩3处；第二旋转电机10安装在外壳1与进光孔4开设侧壁正对的侧壁上，其旋转轴上安装有主动齿轮11，从动齿轮12与推拉电机13机身紧固连接，并与主动齿轮11啮合；推拉电机13安装在外壳1侧壁与进光孔4正对位置，推拉电机13的推拉轴伸入半球腔体2内，其端部安装有背面贴合固定的第一反射镜6和聚四氟乙烯板15。
77.下面通过具体实施案例说明本发明提供的一种光谱及产率测试用积分半球装置的测试方法，可以分别进行发光试样16的光谱测试、发光量子效率测试和发光成像的方法。
78.实施例1
79.所述一种光谱及产率测试用积分半球装置可置于常规光谱仪器样品仓中，进行发光试样16的光谱测试方法，如图4所示，将发光试样16置于石英样品罩3中；首先启动第一旋转电机5，第一旋转电机5的旋转轴带动其上的第一反射镜6旋转，转至第一反射镜6的反射面正对进光孔4时停止；然后启动推拉电机13推动背面贴合固定的第二反射镜14和聚四氟乙烯板15至石英样品罩3上方后停止；最后启动第二旋转电机10的旋转轴带动其上的主动齿轮11旋转，主动齿轮11与从动齿轮12啮合，可以带动从动齿轮12与被其紧固连接的推拉电机13旋转至第二反射镜14片与侧出光孔7中心线成45
°
并且第二反射镜14的反射面朝下位置。封闭孔塞9封闭上出光孔8。由光源发射的激发光束通过进光孔4进入半球腔体2内，经第一反射镜6反射透过石英样品罩3照射发光试样16，发光试样16受激发发射的光大部分被第二反射镜14反射通过侧出光孔7出射进入光谱系统，进行发光试样16的光谱测试。
80.实施例2
81.所述一种光谱及产率测试用积分半球装置进行发光试样的发光量子效率测试方法，
82.第一步，测试半球腔体2内环境：
83.如图5所示，石英样品罩3中不放置发光试样16；首先启动第一旋转电机5旋转第一反射镜6，使第一反射镜6的反射面不正对进光孔4，由进光孔4进入半球腔体2内的激发光束经第一反射镜6反射后打在半球腔体2内壁上；然后启动推拉电机13推动背面贴合固定的第二反射镜14和聚四氟乙烯板15至石英样品罩3上方；最后启动第二旋转电机10的旋转轴带动其上的主动齿轮11旋转，主动齿轮11与从动齿轮12啮合，可以带动从动齿轮12与被其紧固连接的推拉电机13旋转至聚四氟乙烯板15垂直于半球腔体2底部并面朝向侧出光孔7位置。封闭孔塞9封闭上出光孔8，此时半积分球内为高反射效率腔体。由光源发射的激发光束通过进光孔4进入半球腔体2内，经第一反射镜6反射打在半球腔体2内壁上，并在半球腔体2内经多次漫反射后通过侧出光孔7均匀出射进入光谱系统，获得半球腔体2内环境光谱参
数。
84.第二步，测试发光试样16发光量子效率：
85.如图6所示，将发光试样16置于石英样品罩3中；再次启动第一旋转电机5旋转第一反射镜6，使第一反射镜6的反射面正对进光孔4；保持背面贴合固定的第二反射镜14和聚四氟乙烯板15处于石英样品罩3上方、同时保持聚四氟乙烯板15垂直于半球腔体2底部并面朝向侧出光孔7位置不变。封闭孔塞9封闭上出光孔8。由光源发射的激发光束通过进光孔4进入半球腔体2内，经第一反射镜6反射透过石英样品罩3照射发光试样16，发光试样16受激发发射的光在积分球内经多次漫反射后通过侧出光孔7均匀出射进入光谱系统，获得具有半球腔体2内环境影响的发光试样16的光谱参数，通过与第一步测试所得的半球腔体2内环境光谱参数进行运算得到发光试样16发光量子效率。
86.实施例3
87.所述一种光谱及产率测试用积分半球装置进行发光试样的发光成像方法，如图7所示，将整套积分半球装置置于成像系统正下方；将发光试样16置于石英样品罩3中；首先启动第一旋转电机5旋转第一反射镜6，使第一反射镜6的反射面不正对进光孔4，由进光孔4进入半球腔体2内的激发光束经第一反射镜6反射后打在半球腔体2内壁上；然后启动推拉电机13拉动背面贴合固定的第二反射镜14和聚四氟乙烯板15至远离石英样品罩3上方位置。封闭孔塞9封闭侧出光孔7。由光源发射的激发光束通过进光孔4进入半球腔体2内，经第一反射镜6反射透过石英样品罩3照射半球腔体2内壁，并在半球腔体2内经多次漫反射后匀光照射发光试样16，发光试样16受激发后发射的光通过正上方上出光孔8出射进入成像系统，实现发光试样16的发光成像。
88.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。