高均勻性大孔徑積分球光源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

汪擇宏 王景新

摘 要：對出光孔直徑20cm的大孔徑積分球輻射均勻性光源進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計了對稱多光源積分球系統(tǒng)，保證了出射光的均勻性；設(shè)計了副積分球調(diào)節(jié)擋板，控制出射光的功率；驗證了優(yōu)化后的高均勻性積分球光源定標(biāo)系統(tǒng)的定標(biāo)精度，結(jié)果表明，改進(jìn)后的積分球出射光非均勻性小于1%。

關(guān)鍵詞：積分球；結(jié)構(gòu)；定標(biāo)精度

中圖分類號：TH703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0020-03

Abstract： The structure of the light source with large aperture integrating sphere radiation uniformity of 20 cm is improved， the symmetrical multi-light source integrating sphere system is designed to ensure the uniformity of the output light， the secondary integrating sphere is designed to regulate the baffle to control the power of the emitting light. The calibration accuracy of the optimized high uniformity integrating sphere light source calibration system is verified. The results show that the non-uniformity of the integrated sphere is less than 1%.

Keywords： integrating sphere； structure； calibration accuracy

1 概述

積分球作為一種均勻輻射光源，廣泛用于光學(xué)傳感器定標(biāo)。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(jī)、輻射度計等光電器件[1-3]。

長春光學(xué)機(jī)密機(jī)械與物理研究所的李葆勇提出了一種穩(wěn)定可靠的空間相機(jī)輻射定標(biāo)用積分球擴(kuò)展光源系統(tǒng)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件流程，實現(xiàn)了對輻射定標(biāo)光源的多方位無線控制[4]；李東景等通過對光源的電路系統(tǒng)改進(jìn)，設(shè)計出鹵鎢燈為光源的小型化積分球。該積分球定標(biāo)系統(tǒng)采用色溫校正技術(shù)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(dá)到了上星標(biāo)準(zhǔn)[5]；譚家海等設(shè)計了一套能夠大批量、快速標(biāo)定科學(xué)級CCD相機(jī)標(biāo)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(zhǔn)確度[6]。

積分球輻射光源的穩(wěn)定性和均勻性對于整個定標(biāo)系統(tǒng)非常重要，直接影響定標(biāo)的結(jié)果準(zhǔn)確度。而積分球出光孔口徑越大，邊緣效應(yīng)越嚴(yán)重，出射光的均勻性越難以保證[7-8]。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(shè)置擋板，通過積分球漫反射，降低出光亮度，并設(shè)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%[9-10]。

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(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證大孔徑積分球光源的高均勻性，并進(jìn)行了驗證。

2 積分球技術(shù)要求及基本方案

2.1 積分球光源技術(shù)要求

本文所針對的光學(xué)傳感器定標(biāo)用積分球應(yīng)滿足如下要求：

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

（1）

（2）

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(shè)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(biāo)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。

2.3 積分球內(nèi)壁涂層設(shè)計

積分球內(nèi)壁涂層技術(shù)是研制積分球的關(guān)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。

2.4 內(nèi)置光源設(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)，在原有單光源的積分球結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)。

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(dá)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(dá)到高均勻性。

在大孔徑積分球的出光孔，需要考慮邊緣效應(yīng)，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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)使得積分球光源能量的對稱，可以消除邊緣效應(yīng)帶來的影響，保證了出射光的均勻性。

3.2 副積分球的設(shè)計

大孔徑積分球由于出射孔徑增大，出射光能量增強(qiáng)，對于光敏、高靈敏度探測器等有很大影響，因此設(shè)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。

大積分球與副積分球接口部分設(shè)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(qiáng)。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(biāo)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(xué)系統(tǒng)的開機(jī)特性進(jìn)行測試，硅光電探測器的響應(yīng)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(jié)果如圖5所示，經(jīng)計算，積分球出光口穩(wěn)定性為0.05%。

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

（3）

式中：？滋-相對標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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：

d=（i，j=0，1，2......20） （4）

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：

u=StdV/V×100% （5）

式中：u-非均勻性；Vi-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；Stdv-各有效點測量電壓值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

單光源結(jié)構(gòu)積分球的獲取結(jié)果如圖7所示，其非均勻性為1.24%。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，獲取結(jié)果如圖8所示，其非均勻性達(dá)到0.66%。

5 結(jié)束語

針對大孔徑積分球輻射非均勻性的定標(biāo)需求，為了達(dá)到大孔徑高均勻性，改進(jìn)了積分球光源的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了對稱光源積分球結(jié)構(gòu)并增加了副積分球。通過定標(biāo)精度驗證，傳統(tǒng)單光源結(jié)構(gòu)積分球與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的積分球均勻性對比明顯，改進(jìn)結(jié)構(gòu)效果顯著。優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的大孔徑積分球出射光達(dá)到了高均勻性的要求。

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