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高均勻性大孔徑積分球光源結構優(yōu)化及驗證

    1 概述

    積分球作為一種均勻輻射光源，廣泛用于光學傳感器定標。大孔徑積分球光源是一種較理想的均勻漫射參考光源，由于其光譜輻射調(diào)節(jié)范圍寬，輻亮度輸出的均勻性優(yōu)良，常作為均勻輻射光源測試CCD、相機、輻射度計等光電器件。

    提出了一種穩(wěn)定可靠的空間相機輻射定標用積分球擴展光源系統(tǒng)，詳細論述了系統(tǒng)的硬件設計和軟件流程，實現(xiàn)了對輻射定標光源的多方位無線控制：通過對光源的電路系統(tǒng)改進，設計出鹵鎢燈為光源的小型化積分球。該積分球定標系統(tǒng)采用色溫校正技術調(diào)節(jié)光源的光譜輸出，同時內(nèi)置監(jiān)視系統(tǒng)保證出射光的穩(wěn)定性。通過調(diào)整三極管增益的方法調(diào)整光源啟動時間，將電流穩(wěn)定性控制在0.043%。測試得出的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性在0.645%，達到了上星標準：譚家海等設計了一套能夠大批量、快速標定科學級CCD相機標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙積分球作為均勻光源，有效改善了測量系統(tǒng)的性能及測量準確度。

    積分球輻射光源的穩(wěn)定性和均勻性對于整個定標系統(tǒng)非常重要，直接影響定標的結果準確度。而積分球出光孔口徑越大，邊緣效應越嚴重，出射光的均勻性越難以保證。常用保證積分球光源均勻性的方法為光源不直接由孔出射，而是在光源旁設置擋板，通過積分球漫反射，降低出光亮度，并設法減小衰減干擾。目 前商用積分球光源開口孔徑一般為20cm，非均勻性為1%~2%。

    本文介紹了一種以鹵鎢燈為發(fā)光介質(zhì)的大孔徑積分球的光源結構。通過結構優(yōu)化，保證大孔徑積分球光源的高均勻性，并進行了驗證。

    2 積分球技術要求及基本方案

    2.1 積分球光源技術要求

    本文所針對的光學傳感器定標用積分球應滿足如下要求：

表1 技術要求

    2.2 積分球球體方案

    根據(jù)積分球理論，對有出光口積分球的出口面輻亮度L為

    式中：S為積分球的內(nèi)表面積；f為開口系數(shù)（即積分球開口面積與積分球內(nèi)表面積的比值）；ρ為積分球內(nèi)壁涂層光譜反射率；r為積分球開口半徑；R為積分球半徑。

    由式（1）可以看出，出光口直徑相對于積分球直徑越小，亮度越高，同時出光平面的面均勻性越好。根據(jù)設計經(jīng)驗，為了在出光口獲得較高輻亮度及面均勻性，出光口直徑通常小于積分球內(nèi)徑的1/2。本方案中積分球指標要求為球體直徑1000mm，開口直徑200mm，能夠確保出光口面非均勻性小于1%的要求。

    為了方便安裝和維修，積分球由兩個半球拼接而成。如圖1所示。

圖1 積分球簡圖

    2.3 積分球內(nèi)壁涂層設計

    積分球內(nèi)壁涂層技術是研制積分球的關鍵，它直接影響積分球出射光的能量和光譜分布。內(nèi)壁涂層材料一般選用氧化鎂或硫酸鋇，但氧化鎂及硫酸鋇涂層容易脫落，而且氧化鎂僅在可見光范圍內(nèi)反射率高。聚四氟乙烯不但在紅外譜段反射率較高，而且不易脫落成粉末狀的物質(zhì)，所以選用聚四氟乙烯作為球內(nèi)壁涂層。

    由圖2可以看出，聚四氟乙烯涂層在400nm~2500nm波段內(nèi)反射率高于90%，而且方向反射性優(yōu)良，是非常理想的漫反射體。

圖2 聚四氟乙烯反射率以及多次反射比曲線

    2.4 內(nèi)置光源設計

    鹵鎢燈可以發(fā)射連續(xù)光譜，在350nm~2500nm波段范圍內(nèi)是很理想的灰體輻射體。溴鎢燈在使用和量值傳遞.上十分方便，并且發(fā)射特性穩(wěn)定、壽命長。因此，設計選用鹵鎢燈做為積分球光源的輸入光源。

    鹵鎢燈發(fā)光單元安裝在前半球靠近積分球出光口處，由于其輻出度分布為柱形，需要對其一次出射光進行勻光處理，以提高輻亮度積分球的輸出均勻性。我們采用反射郎伯型勻光板對氘燈輻射度分布進行調(diào)整。可滿足積分球輸出面非均勻性小于1%。

    3 高均勻性積分球結構優(yōu)化

    為保證大孔徑積分球光源的均勻性，減小出光孔的邊緣效應，在原有單光源的積分球結構上做出改進。

    3.1 光源數(shù)量及空間排布優(yōu)化

    單光源在經(jīng)過積分球漫反射后，出射光亮度降低，對保證出射光的均勻性起到了一定的效果。但是由于光源置于積分球一側(cè)，雖然經(jīng)過數(shù)次反射，到達出光孔平面的各部分的能量并不一致，因此，常用積分球很難達到高均勻性。

    在大孔徑積分球的出光孔，需要考慮邊緣效應，而單光源由于很難保證光在出光孔的對稱性，因此難以保證邊緣部分的光的能量大小。

    本文采用了一種多光源對稱結構。10個光源均勻分布在積分球靠近出光孔的半球上，如圖3所示。該結構使得積分球光源能量的對稱，可以消除邊緣效應帶來的影響，保證了出射光的均勻性。

圖3 對稱結構的積分球設計

    3.2 副積分球的設計

    大孔徑積分球由于出射孔徑增大，出射光能量增強，對于光敏、高靈敏度探測器等有很大影響，因此設計10個光源中的對稱兩個光源為副積分球，如圖4所示。副積分球的出射光已經(jīng)很均勻，經(jīng)過大積分球的漫射，保證了出射光的高均勻性。

圖4 對稱副積分球光源示意圖

    大積分球與副積分球接口部分設置帶孔圓形擋板，通過調(diào)節(jié)擋板中心孔的大小，控制副積分球出射光的能量大小，調(diào)節(jié)大積分球的出射光強。在調(diào)節(jié)副積分球擋板時，保證左右兩側(cè)對稱調(diào)節(jié)，以保證出射光的均勻性。

    4 定標精度驗證測試

    4.1 積分球穩(wěn)定性測試

    采用單元硅光電探測器對積分球光學系統(tǒng)的開機特性進行測試，硅光電探測器的響應波段為200nm~1100nm，打開積分球光源后，待其工作穩(wěn)定，每隔1s采集一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測量30min，測試結果如圖5所示，經(jīng)計算，積分球出光口穩(wěn)定性為0.05%。

圖5 積分球穩(wěn)定性測試曲線

    其中，穩(wěn)定性用相對標準偏差來衡量，相對標準偏差的計算公式如下：

    式中：μ-相對標準偏差；n-總的測量次數(shù)；Vi-第i次的采樣值；`V-為n次測得的采樣值的平均值。

    4.2 積分球均勻性測試

    將單元硅光電探測器固定在二維平移臺上，其光軸垂直于出光口面。分別沿水平方向（X軸）和豎直方向（Y軸）平移陷阱探測器，進行網(wǎng)格狀測量。本文選用從正方形掃描數(shù)據(jù)中獲取內(nèi)切圓數(shù)據(jù)的算法模型，如圖6所示。每個掃描點到中心（0，0）的距離d為：

圖6 內(nèi)切圓數(shù)據(jù)獲取示意圖

    測試時，光電探測器放在緊貼積分球出光口處，此時積分球輻射均勻性較好。非均勻性計算公式如下：

    式中：u-非均勻性；V_i-各有效點測量電壓值（有效點指在出光口內(nèi)且剔除接近邊緣測值明顯變化的測點）；`V-各有效點測量電壓值的均值；Std_Vi-各有效點測量電壓值的標準偏差。

    單光源結構積分球的獲取結果如圖7所示，其非均勻性為1.24%。改進結構后，獲取結果如圖8所示，其非均勻性達到0.66%。

    5 結束語

    針對大孔徑積分球輻射非均勻性的定標需求，為了達到大孔徑高均勻性，改進了積分球光源的結構，設計了對稱光源積分球結構并增加了副積分球。通過定標精度驗證，傳統(tǒng)單光源結構積分球與結構優(yōu)化后的積分球均勻性對比明顯，改進結構效果顯著。優(yōu)化結構后的大孔徑積分球出射光達到了高均勻性的要求。

圖7 單光源結構積分球結果

圖8 優(yōu)化結構積分球結果