专利名称：用于产生颜色连续可调的均匀面光源的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生颜色可调的均勻面光源的装置，属于光学精密测量技术 领域，尤其适用于产生颜色连续可调的的均勻面光源。
背景技术：
近年来，随着科技的发展，颜色在各个领域的应用越来越广泛。在机器人视觉、特 种人员色觉检查、光电跟瞄火控、轻纺、建筑、环境和美术等领域，颜色的重要性显得特别突 出，因此，颜色的测量成为这些领域的基础问题。为了精确地检测物体颜色或评测对象的颜 色分辨能力，需要一个可以功率大、性能稳定且能产生各种颜色的光源。一般可以采用色卡和棱镜分光的方法产生特定颜色的光源，但这两种方法都存在 着缺陷。在特定均勻面光源出射口放置一系列色卡，可以构成特定颜色的光源，但该方法只 能产生离散的颜色，无法产生连续可调的颜色；为了实现较大的色域范围和较高的颜色分 辨力，色卡的数量将非常庞大。采用棱镜或光栅分光的方法可以产生颜色连续可调的光源， 但该方法产生的光源功率低，机械结构较复杂，而且无法产生蓝色和红色之间的颜色(即 品红色)。为了实现颜色连续可调且功率输出功率较大的光源，本发明设计了用于产生颜色 连续可调的均勻面光源的装置。该装置可以通过独立调色三种色光的光通量比例实现连续 改变出射光颜色的目的；该装置中通过滤色片产生三种色光，因此，可以实现较大的功率输
出o
发明内容
本发明的目的是为了解决产生颜色连续可调的光源问题，而提出一种用于产生颜 色连续可调的均勻面光源的装置。本发明的目的是通过下述技术方案实现的所述用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，包括均勻面光源、连续调色系 统和混色系统；均勻面光源、连续调色系统和混色系统顺序相接，其中均勻面光源由光源和第I积分球组成；连续调色系统由滤色片底板、红光挡光板、 绿光挡光板、蓝光挡光板组成，滤色片底板、红光挡光板、绿光挡光板、蓝光挡光板均为圆形 并具有相同的半径；混色系统由第II积分球组成。光源和第I积分球的进光口相连接，连续调色系统位于第I积分球的出射光线方 向，且通过其中的滤色片底板与第I积分球的出光口相接；红光挡光板、绿光挡光板、蓝光 挡光板设置在滤色片底板与第II积分球的进光口之间，红光挡光板、绿光挡光板、蓝光挡 光板在连续调色系统中摆放的先后次序可调换；滤色片底板、红光挡光板、绿光挡光板、蓝 光挡光板的外沿均装有压圈，压圈上具有表示通光面积的标识，使用时通过按照标识旋转 压圈，来改变通光面积；滤色片底板、红光挡光板、绿光挡光板、蓝光挡光板可通过旋转其上 的压圈进行转动。
滤色片底板、红光挡光板、绿光挡光板、蓝光挡光板的轴心在一条直线上；滤色片底板分为六个扇形区域，其中三个为不透光的扇形区域，且它们两两之间 分别为用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域，分别覆有红色、绿色、蓝色滤光片；红光挡光板上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片底板上用 于滤出红光的扇形区域；绿光挡光板上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片底板上用 于滤出绿光的扇形区域；蓝光挡光板上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片底板上用 于滤出蓝光的扇形区域；连续调色系统的出射光线方向对准第II积分球进光口 ；连续调色系统中，在第I积分球出光口与第II积分球之间还可以增设一个衰减 板，作为优选，其位置设置于第I积分球出光口与滤色片底板之间；衰减板与滤色片底板、 红光挡光板、绿光挡光板、蓝光挡光板具有相同的半径，其轴心与滤色片底板、红光挡光板、 绿光挡光板、蓝光挡光板的轴心在一条直线上；衰减板的作用是使输出的色光功率可调，避 免功率过大或过小。衰减板可以是一个圆形的均勻衰减片，也可以采用和滤色片底板相同的构造，此 时将滤色片底板构造中的三个用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域去掉，仅保留其上的三 个不透光的扇形区域；这样的好处在于，可以在使用中按照需要改变出射光的功率，而无需 更换衰减片。衰减板的外沿装有压圈，压圈上具有表示衰减程度的标识，使用时通过按照标识 旋转压圈，来改变出射光的光通量；并可通过旋转其上的压圈进行转动。本装置中所有接口处应保证不漏光。本发明的原理如下均勻面光源出射的光进入连续调色系统后，由滤色片底板将入射光分为三束三原 色光，红光挡光板、绿光挡光板和蓝光挡光板分别遮挡相应的一种色光，通过改变三束光的 通光面积比例，可以调节三种色光的光通量比例，从而改变连续调色系统出射光的三刺激 值；三种色光经混色系统混合后在第II积分球的出光口输出特定颜色的均勻面光源。本发明对比已有技术具有以下创新点1.通过改变三种颜色滤色片的通光面积来改变出射光的光谱分布，三种滤色片的 通过面积可以连续调节，因此，出射光的光谱分布即颜色也可以连续调节。2.三种颜色滤色片的面积可以独立调节，从而方便地实现出射光颜色的调节。本发明对比已有技术具有以下有益效果1.利用滤色片的旋转来实现出射光的颜色调节，通过精密地控制滤色片旋转的角 度，可以实现出射光颜色的精确调节。2.可以实现较大的光源输出功率。
图1为用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置的示意图；图2为用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置的实施例的应用示意其中1_均勻面光源、2-卤钨灯光源、3-第I积分球、4-连续调色系统、5-衰减板、 6-滤色片底板、7-红光挡光板、8-绿光挡光板、9-蓝光挡光板、10-混色系统、11-第II积 分球、12-第II积分球出口、13-分划板、14-透镜、15-光谱探测头、16-光纤、17-光谱仪。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的基本思想是利用均勻面光源照射滤色片产生三原色光，再通过积分球将 三原色光混合为特定颜色的光。通过改变三原色光的光通量比例来调节出射光的光谱三刺 激值，即出射光的颜色。实施例所述用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，由均勻面光源(1)、连续调色系 统⑷和混色系统(10)组成；均勻面光源(1)、连续调色系统⑷和混色系统(10)顺序相 接，其中均勻面光源⑴由卤钨灯光源⑵和第I积分球(3)组成；连续调色系统⑷由 滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)组成，滤色片底板(6)、 红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)均为圆形并具有相同的半径；混色系统 (10)由第II积分球(11)组成。卤钨灯光源⑵和第I积分球(3)的进光口相连接，连续调色系统⑷位于第I积 分球(3)的出射光线方向，且通过其中的滤色片底板(6)与第I积分球(3)的出光口相接； 红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)依次设置在滤色片底板(6)与第II积分 球(11)的进光口之间，其中红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)在连续调色 系统(4)中摆放的先后次序也可调换；滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、 蓝光挡光板(9)的外沿均装有压圈，压圈上具有表示通光面积的标识，使用时通过按照标 识旋转压圈，来改变通光面积；滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光 板(9)可通过旋转其上的压圈进行转动。滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板⑶、蓝光挡光板(9)的轴心在一条 直线上；本实施例中，滤色片底板(6)分为六个等大的60°扇形区域，其中三个为不透光 的扇形区域，且它们两两之间分别为用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域，分别覆有红色、 绿色、蓝色滤光片；红光挡光板(7)上具有一个不透光的60°扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片 底板(6)上用于滤出红光的扇形区域；绿光挡光板(8)上具有一个不透光的60°扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片 底板(6)上用于滤出绿光的扇形区域；蓝光挡光板(9)上具有一个不透光的60°扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片 底板(6)上用于滤出蓝光的扇形区域；连续调色系统(4)的出射光线方向对准第II积分球(11)进光口 ；连续调色系统⑷中，第I积分球(3)出光口与滤色片底板(6)之间设有衰减板 (5)；衰减板(5)与滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)具有相同的半径，其轴心与滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的 轴心在一条直线上；衰减板(5)的作用是使输出的色光功率可调，避免功率过大或过小。衰减板(5)可以是一个圆形的均勻衰减片，也可以采用和滤色片底板(6)相同的 构造，此时将滤色片底板(6)构造中的三个用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域去掉，仅 保留其上的三个不透光的扇形区域；这样的好处在于，可以在使用中按照需要改变出射光 的功率，而无需更换衰减片。衰减板(5)的外沿装有压圈，压圈上具有表示衰减程度的标识，使用时通过按照 标识旋转压圈，来改变出射光的光通量；并可通过旋转其上的压圈进行转动。本装置中所有接口处应保证不漏光。下面对本装置中的光路描述如下卤钨灯光源(2)发出的光进入第I积分球(3)，在第I积分球(3)的出光口处形成 光谱连续分布的均勻面光源，然后入射到连续调色系统(4)，经过衰减板(5)衰减，由滤色 片底板(6)将衰减后的入射光分为三束三原色光，在通过红光挡光板(7)、绿光挡光板(8) 和蓝光挡光板(9)的作用，改变三束三原色光相应的通光面积比例，即调节三束三原色光 的光通量比例，从而改变连续调色系统出射光的颜色三刺激值；三束三原色光从第II积分 球(11)的进光口进入混色系统(10)后，在第II积分球(11)内经过多次反射，最后在第II 积分球(11)的出光口输出特定颜色的均勻面光源。如图2所示，用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其操作方法为首先，打开卤钨灯光源(2)的电源，点亮卤钨灯并预热几分钟，使卤钨灯发光稳 定。卤钨灯光源⑵和第I积分球⑶组成均勻面光源，产生光谱连续分布的均勻出射光。再用均勻面光源照射连续调色系统(4)。分别将衰减板(5)、红光挡光板(7)、绿光 挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的划线分别和滤色片底板(6)的划线对齐。衰减板(5)和其他 三块挡光板的固定压圈上有划线，当它们的划线和滤色片底板(6)的划线对齐时，各挡光 板上不透光的部分在光轴方向上刚好和滤色片底板(6)的挡光部分重合(如图2所示)，在 本实施例中，三种颜色光的通光面积都是中心角为60°的扇形。顺时针转动衰减板(5)，滤色片底板(6)和挡光板固定不变，此时，三种色光通光 的口径将同时改变，从而三种色光的光通量也随之改变。随着衰减板(5)的转动，连续调色 系统的出射光强度将逐渐减小。绿光挡光板⑶、蓝光挡光板(9)、衰减板(5)和滤色片底板(6)固定不动，逆时针 转动红光挡光板，此时红光的通光口径减小，红光的光通量也随之减小，其相应的光谱分布 树义)也将减小，由光谱三刺激值计算公式 X刺激值将减小，而绿光、蓝光的光通量保持不变，从而实现单独改变R刺激值的 目的。公式中，\为光波波长，〒(幻为标准色度观察者，k为归一化产量，关于光谱三刺激 值可参考北京理工大学出版社出版的《现代颜色技术原理及应用》一书。同理，可以分别单独调节绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的角度，从而改变绿光、 蓝光相应的Y刺激值、Z刺激值，方法同上。三种颜色光互相独立，可以同时调节相应的X、Y、Z刺激值。然后，将连续调色系统(4)的出射光入射到第II积分球(11)的进光口。连续调 色系统(4)出射光为三束相互独立的红光、绿光、蓝光，这三束光在第II积分球(11)内经 过反射均勻混合为特定颜色的光，在第II积分球(11)的出口处形成特定颜色的均勻面光源。在本实施例中，对本装置形成的具有特定颜色的均勻面光源可进行进一步的应 用光谱探测头(15)通过光纤(16)将采集到得第II积分球(11)的光传输到光谱仪(17)， 利用光谱仪可以实时监测和监视第II积分球内的光谱信息。最后，将第II积分球产生的均勻面光源照射分划板(13)，产生特定的颜色图案。 调节透镜(14)和分划板(13)的距离，使分划板刚好置于透镜(14)的焦平面上，从而使分 划板(13)的特定颜色图案成像于无穷远。此实施例通过一系列的措施实现了用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置， 与其它方法相比，具有颜色连续可调、输出功率大、结构简单、成本低的优点。主要原理为，由均勻面光源出射的均勻光均勻照射连续调色系统，通过调节衰减 板和滤色片底板的轴心旋转角度，可以同时调节红光、绿光、蓝光的通光面积，从而达到调 节光通量的目的；通过调节红光挡光板和滤色片底板的夹角，可以调节红光的通光面积，同 理可以调节绿光和蓝光的通光面积；分别调节三种色光的通光面积就可以达到调节三种色 光的光通量比例的目的；将连续调色系统输出的三种色光通过第II积分球均勻混合后，就 可以输出特定颜色的均勻面光源。本发明所述的用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，应用时，通过光谱探 测头实时采集第II积分球内的光，并通过光纤将光传输到光谱仪，通过光谱仪实时监测第 II积分球内的光谱信息。以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不能被理解为限制 了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基 础上的改动都是本发明的保护范围。
权利要求
一种用于产生颜色连续可调的均匀面光源的装置，其特征在于包括均匀面光源(1)、连续调色系统(4)和混色系统(10)；均匀面光源(1)、连续调色系统(4)和混色系统(10)顺序相接，其中均匀面光源(1)由光源(2)和第I积分球(3)组成；连续调色系统(4)由滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)组成，滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)均为圆形并具有相同的半径；混色系统(10)由第II积分球(11)组成；光源(2)和第I积分球(3)的进光口相连接，连续调色系统(4)位于第I积分球(3)的出射光线方向，且通过其中的滤色片底板(6)与第I积分球(3)的出光口相接；红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)设置在滤色片底板(6)与第II积分球(11)的进光口之间；红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)在连续调色系统(4)中摆放的先后次序可调换；连续调色系统(4)的出射光线方向对准第II积分球(11)进光口；滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的外沿均装有压圈；滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)可通过旋转其上的压圈进行转动；滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的轴心在一条直线上；滤色片底板(6)分为六个扇形区域，其中三个为不透光的扇形区域，且它们两两之间分别为用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域，分别覆有红色、绿色、蓝色滤光片；红光挡光板(7)上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域不小于滤色片底板(6)上用于滤出红光的扇形区域；绿光挡光板(8)上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片底板(6)上用于滤出绿光的扇形区域；蓝光挡光板(9)上具有一个不透光的扇形区域，该扇形区域应不小于滤色片底板(6)上用于滤出蓝光的扇形区域。
2.根据权利要求1所述一种用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其特征在 于，连续调色系统(4)中，在第I积分球(3)出光口与第II积分球(11)之间还可以增设一 个衰减板(5)，其与滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)具有 相同的半径，其轴心与滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的 轴心在一条直线上；衰减板(5)可以是一个圆形的均勻衰减片，也可以采用和滤色片底板(6)相同的构造， 此时将滤色片底板(6)构造中的三个用于红色、绿色、蓝色滤光的扇形区域去掉，仅保留其 上的三个不透光的扇形区域；衰减板(5)的外沿装有压圈，通过旋转其上的压圈进行转动。
3.根据权利要求2所述一种用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其特征在 于作为优选，所述衰减板(5)位置设置于第I积分球(3)出光口与滤色片底板(6)之间。
4.根据权利要求2所述一种用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其特征在 于衰减板(5)的外沿压圈上具有表示衰减程度的标识。
5.根据权利要求1所述一种用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其特征在于滤色片底板(6)、红光挡光板(7)、绿光挡光板(8)、蓝光挡光板(9)的外沿压圈上具有 表示通光面积的标识。
6.根据权利要求1所述一种用于产生颜色连续可调的均勻面光源的装置，其特征在 于本装置中所有接口处应保证不漏光。
全文摘要
本发明提供了一种用于产生颜色连续可调的均匀面光源的装置，属于光学精密测量技术领域。均匀面光源出射的光入射到连续调色系统，由滤色片底板将入射光分为三束三原色光，红光挡光板、绿光挡光板和蓝光挡光板分别可对相应的一种色光进行遮挡，通过改变三束光的通光面积比例，调节三种色光的光通量比例，从而改变连续调色系统出射光的颜色三刺激值；三种色光经混色系统混合后在第II积分球的出光口输出特定颜色的均匀面光源。本发明提出一种可以独立调节三种色光的连续调色系统，实现出射光颜色的精确调节，具有可以连续调节颜色、输出功率大的优点，可以用于颜色分辨力的测量。
文档编号F21S10/02GK101865412SQ201010194538
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者何川, 周桃庚, 沙定国, 连礼泉, 黄旭 申请人:北京理工大学