专利名称：三维曲面全漫射太阳光模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维曲面漫反射太阳光模拟器，采用机械方式将线性光转化为比 较理想的漫反射光。
背景技术：
目前，提供稳定的漫射光源是色度检测、光度检测、太阳能电池检测、光栅印刷以 及立体印刷质量检测等领域重要的实验与观测要求，漫射光的性能直接影响仪器的检测准 确性，测试数据的可靠性，以及质量评价的稳定性。现有技术中，可以提供稳定漫射光照明条件主要分为三类设备，一种为积分球漫 射光发生器，也是目前漫射光模拟效果最好的一种装置；第二种为平板式漫射光模拟器，目 前此类设备主要用在液晶屏，LED等设备中；第三种为机械式光路模拟漫射光发生器，此类 设备设计利用空间大，而且可以根据要求进行改装，方便使用，目前此类设备主要用于太阳 能、设备及样品测试、色度测量以及具有特殊需求的行业中。积分球为理想的漫射光发生装置，利用积分球可以构建模拟理想的漫反射光源照 射条件，其基本原理是利用混光特性，将光线进行多次内反射，从而使到达被测样本表面的 光线满足均勻性的要求，自从19世纪90年代积分球用于光源光度测量以来，积分球就被广 泛应用与辐射度、光度、色度等各个领域。但是积分球尺寸体积较小，对制作工艺及材料要 求较高，另外，由于积分球独特的球形结构，不适合大幅面样品的目视观察比较，因而积分 球设备不适用于被照物体尺寸体积较大，且需要人眼视觉观测的相关领域。平板式漫反射模拟器光源功率较小，制造工艺复杂，并且使用范围有限，多用在显 示器、背投电视等领域。机械式光路模拟漫射光发生器，通过机械设计来实现漫射光模拟效果，此类设备 的尺寸大小可调，设备元件更换方便，照射面积大，漫射光性能稳定，能够满足特定领域的 要求，目前此类设备有少量用于太阳能电池的测试领域，但是专门用于光度测量、色度测 量、光栅产品色度检的设备很少。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术能为大尺寸、大幅面物体提供稳定漫射光源的不 足，设计提供一种三维曲面漫射太阳光模拟设备，使设备发出的模拟漫射光能够达到光谱 和均勻性要求，满足色度光度测量、光栅产品色度检测的需要。本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是一种三维曲面全漫射太阳光模 拟器，包括箱体、箱体下方的观测台、至少三个标准线性光源、镜面反射曲面元件、漫反射曲 面元件和漫透射曲面元件，在箱体内均勻设置标准线性光源；在每个标准线性光源和观测 台之间分别设置一个镜面反射曲面元件，对应镜面反射曲面元件的光路方向设置一个漫反 射曲面元件，通过镜面反射曲面元件将光源均勻反射到漫反射曲面元件上；在漫反射曲面 元件的光路上设置一个漫透射曲面元件。
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而且，在箱体内设置标准线性光源采用光源调节底座实现，每个标准线性光源采 用一个光源调节底座，每个光源调节底座由光源支架、调节滑行轨道、齿条和调节齿轮组 成，光源支架固定标准线性光源位置，当转动调节齿轮时，齿条在调节齿轮的带动下推动光 源支架沿着调节滑行轨道移动，从而使标准线性光源沿着调节滑行轨道移动，以调节光源 与镜面反射曲面元件和漫反射曲面元件之间的距离。而且，漫反射曲面元件为圆柱面，采用涂漫射材料的PVB基热塑性板材或金属板 材。而且，漫透射曲面元件采用高透光率漫透射材料，材料表面附有一层红外截止NIR 滤色片。本发明专利的有益效果是，利用光学原理，通过机械方式提供稳定的漫反射光照 射条件，结构简单，可以根据实际需要调节此装置尺寸，并且产生的漫射光性能稳定，能够 满足色度检测、光栅产品质量检测的要求。
图1为本发明实施例的立体结构示意图。图2为图1的截面图。图3为本发明实施例的光源调节底座结构图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步进行详细描述。本发明的技术方案主要从机械光路上入手，解决光源与被测物体间距0. 5 1. 5 米情况下光线均勻性的问题，具体实施时建议采用与正午太阳光色温及光谱最为接近的 D65/D50线性灯管作为标准光源，经过镜面反射、漫反射、漫透射作用，最终实现理想的光源 光谱要求以及稳定的漫射光条件。如图1和2所示实施例的装置结构透视图与截面图为达到模拟均勻太阳漫射光 的效果，实施例采用D65标准光源作为标准线性光源(1)，并通过光源调节底座固定在箱体 (6)上，共设置了三个标准线性光源。具体实施时可以设置更多光源，只需设置光源位置具 有角平均分布的对称结构即可。在每个标准线性光源(1)和观测台(5)之间，各设置一个 镜面反射曲面元件(2)作为第一反光罩，同样可以通过与光源调整底座一样的结构固定在 箱体(6)上，即实施例共设有三个镜面反射曲面元件(2)。对应镜面反射曲面元件的光路方 向设置一个漫反射曲面元件，设置一个漫反射曲面元件(3)作为第二反光罩。为改善漫射 光的性能，还在光路上设置透射罩，即漫透射曲面元件(4)，对光线进行第二次漫射转化，最 终实现性能稳定、满足要求的漫射光。标准线性光源(1)发出的光线经过第一反光罩，即镜 面反射曲面元件(2)的反射而发散，然后经第二反光罩，即漫反射曲面元件(3)的反射，初 步达到漫反射光的效果，当光线经过漫透射曲面元件(4)时，光线再次实现漫射平均，最终 使到达观测台(5)，即放置于观测台(5)上的被照物体表面的光线达到漫射光的性能要求。 光线在漫反射曲面元件(3)与漫透射曲面元件(4)之间可能被多次内反射与透射。图3所示为光源调节底座结构示意图。如图所示，标准线性光源(1)固定在光源 调节底座上，即每个光源调节底座固定一个标准D65线性光源，光源调节底座由调节滑行轨道(8)、光源支架(9)、齿条(10)和调节齿轮(11)组成。当转动调节齿轮(11)时，由于 调节齿轮(11)的传动作用，齿条(10)在调节齿轮(11)的带动下推动光源支架(9)沿着调 节滑行轨道(8)移动，从而使标准线性光源(1)沿着调节滑行轨道(8)移动，以调节标准线 性光源⑴与镜面反射曲面元件⑵和漫反射曲面元件⑶之间的距离，沿着漫反射曲面 元件(3)的半径方向调节，能够调节漫射光的效果。为了方便给标准线性光源(1)提供电 能，实施例还设置了电源底座(7)，将电源底座(7)跟光源支架(9)连接在一起即可。具体 实施时，可以在箱体(6)外部设置调节器件，调节齿轮(11)与调节器件相连，以便操作者方 便地在箱外操作调节器件，来转动调节齿轮(11)。本发明装置中采用的标准线性光源(1)，到达照物体所在观测台(5)平面之间的 线性光源由镜面反射曲面元件(2)遮住，一部分光源光线由镜面反射曲面元件(2)完全反 射到漫反射曲面元件(3)，另外一部分线性光线直接照射到漫反射曲面元件(3)上，完成光 线第一次发散，此处镜面反射曲面的母线的两端要求与光源与透射曲面的切线相交，以避 免光源的线性光直接照射到透射曲面，其目的在于使经漫反射曲面反射后的漫射光更加均 勻稳定。为了便于具体实施，本发明还提供了一些实现技术方案的建议漫反射曲面元件 (3)为圆柱面，表面涂有粗糙的漫反射材料，其目的在于将入射到表面的光线漫射话，实现 光在三维空间内的均勻分布。表面所涂漫反射涂料应当对380nm-780nm波长的光具有均勻 的反射特性。可以采用涂有漫反射材料的PVB基热塑性板材或金属板材。镜面反射曲面元件⑵应当能够反射至少95%的光线。例如采用Fluorilon-99WTM 高漫反射材料，300-2200nm反射率> 97%，400_800nm反射率> 99%。此材料是一种塑性 材料，可以根据要求在国外加工成型。还可采用Avian-B，这是种水基的硫酸钡白色反射涂 料，该涂层具有高朗伯特性，在350-850nm范围内的反射率大于97%，采用粘合剂涂在塑料 基材上即可实现镜面反射曲面元件。漫透射曲面元件(4)采用高透光率漫透射材料，并且在漫透射元件表面附有一层 红外截止NIR滤色片，用于过滤紫外光谱以及近红外光谱。建议采用塑料基材或涂漫透射 材料的玻璃基材，厚度在0. 5mm-3. 5mm之间，表面至少附加一层NIR红外截止滤色片。漫透 射曲面元件(4)的透光率应当高于或等于85%，优选高于或等于92%。本发明从光的均勻性和光谱拟合两个方面解决了色度测试、光栅产品色彩质量检 测对光源性能的要求，使本装置产生的模拟太阳光能够满足色彩质量控制的要求，在光源 与被测物体间距在0. 8-1. 5米之间能够达到漫射光的均勻性。本发明成功应用到光栅产 品的色度质量检测与观察中，并且在此条件下能够成功的消除光栅衍射与干涉对色彩的影 响，准确的再现并评价产品质量。
权利要求
一种三维曲面全漫射太阳光模拟器，其特征在于包括箱体、箱体下方的观测台、至少三个标准线性光源、镜面反射曲面元件、漫反射曲面元件和漫透射曲面元件，在箱体内均匀设置标准线性光源；在每个标准线性光源和观测台之间分别设置一个镜面反射曲面元件，对应镜面反射曲面元件的光路方向设置一个漫反射曲面元件，通过镜面反射曲面元件将光源均匀反射到漫反射曲面元件上；在漫反射曲面元件的光路上设置一个漫透射曲面元件。
2.根据权利要求1所述的三维曲面全漫射太阳光模拟器，其特征在于在箱体内设置 标准线性光源采用光源调节底座实现，每个标准线性光源采用一个光源调节底座，每个光 源调节底座由光源支架、调节滑行轨道、齿条和调节齿轮组成，光源支架固定标准线性光源 位置，当转动调节齿轮时，齿条在调节齿轮的带动下推动光源支架沿着调节滑行轨道移动， 从而使标准线性光源沿着调节滑行轨道移动，以调节光源与镜面反射曲面元件和漫反射曲 面元件之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的三维曲面全漫射太阳光模拟器，其特征在于漫反射曲 面元件为圆柱面，采用涂漫射材料的PVB基热塑性板材或金属板材。
4.根据权利要求1或2所述的三维曲面全漫射太阳光模拟器，其特征在于漫透射曲 面元件采用高透光率漫透射材料，材料表面附有一层红外截止NIR滤色片。
全文摘要
本发明提供了三维曲面全漫射太阳光模拟器，采用D50线性灯管作为标准线性光源(1)，沿线光源的轴线安置曲面漫反射器件(3)与曲面镜面反射器件(2)，在光路上安置漫透射曲面元件(4)，通过光线的多次内反射与透射，使被照物体所在平面的光的均匀性达到要求，改善光谱性能。该装置在具有基本积分球功能的同时，适应大面积的漫反射照明要求，并且具有更低的制造难度。本发明解决了光的均匀性和光谱拟合匹配问题，达到立体印刷、光栅生产商、全息纸生产企业对特殊光照条件的要求。
文档编号F21V7/22GK101915614SQ201010239910
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者万晓霞, 刘振, 黄新国 申请人:武汉大学