高均匀性大孔径积分球光源结构优化及验证

    1 概述

    积分球作为一种均匀辐射光源，广泛用于光学传感器定标。大孔径积分球光源是一种较理想的均匀漫射参考光源，由于其光谱辐射调节范围宽，辐亮度输出的均匀性优良，常作为均匀辐射光源测试CCD、相机、辐射度计等光电器件。

    提出了一种稳定可靠的空间相机辐射定标用积分球扩展光源系统，详细论述了系统的硬件设计和软件流程，实现了对辐射定标光源的多方位无线控制：通过对光源的电路系统改进，设计出卤钨灯为光源的小型化积分球。该积分球定标系统采用色温校正技术调节光源的光谱输出，同时内置监视系统保证出射光的稳定性。通过调整三极管增益的方法调整光源启动时间，将电流稳定性控制在0.043%。测试得出的系统频率稳定性在0.645%，达到了上星标准：谭家海等设计了一套能够大批量、快速标定科学級CCD相机标定系统，该系统采用双积分球作为均匀光源，有效改善了测量系统的性能及测量准确度。

    积分球辐射光源的稳定性和均匀性对于整个定标系统非常重要，直接影响定标的结果准确度。而积分球出光孔口径越大，边缘效应越严重，出射光的均匀性越难以保证。常用保证积分球光源均匀性的方法为光源不直接由孔出射，而是在光源旁设置挡板，通过积分球漫反射，降低出光亮度，并设法减小衰减干扰。目 前商用积分球光源开口孔径一般为20cm，非均匀性为1%~2%。

    本文介绍了一种以卤钨灯为发光介质的大孔径积分球的光源结构。通过结构优化，保证大孔径积分球光源的高均匀性，并进行了验证。

    2 积分球技术要求及基本方案

    2.1 积分球光源技术要求

    本文所针对的光学传感器定标用积分球应满足如下要求：

表1 技术要求

    2.2 积分球球体方案

    根据积分球理论，对有出光口积分球的出口面辐亮度L为

    式中：S为积分球的内表面积；f为开口系数（即积分球开口面积与积分球内表面积的比值）；ρ为积分球内壁涂层光谱反射率；r为积分球开口半径；R为积分球半径。

    由式（1）可以看出，出光口直径相对于积分球直径越小，亮度越高，同时出光平面的面均匀性越好。根据设计经验，为了在出光口获得较高辐亮度及面均匀性，出光口直径通常小于积分球内径的1/2。本方案中积分球指标要求为球体直径1000mm，开口直径200mm，能够确保出光口面非均匀性小于1%的要求。

    为了方便安装和维修，积分球由两个半球拼接而成。如图1所示。

图1 积分球简图

    2.3 积分球内壁涂层设计

    积分球内壁涂层技术是研制积分球的关键，它直接影响积分球出射光的能量和光谱分布。内壁涂层材料一般选用氧化镁或硫酸钡，但氧化镁及硫酸钡涂层容易脱落，而且氧化镁仅在可见光范围内反射率高。聚四氟乙烯不但在红外谱段反射率较高，而且不易脱落成粉末状的物质，所以选用聚四氟乙烯作为球内壁涂层。

    由图2可以看出，聚四氟乙烯涂层在400nm~2500nm波段内反射率高于90%，而且方向反射性优良，是非常理想的漫反射体。

图2 聚四氟乙烯反射率以及多次反射比曲线

    2.4 内置光源设计

    卤钨灯可以发射连续光谱，在350nm~2500nm波段范围内是很理想的灰体辐射体。溴钨灯在使用和量值传递.上十分方便，并且发射特性稳定、寿命长。因此，设计选用卤钨灯做为积分球光源的输入光源。

    卤钨灯发光单元安装在前半球靠近积分球出光口处，由于其辐出度分布为柱形，需要对其一次出射光进行匀光处理，以提高辐亮度积分球的输出均匀性。我们采用反射郎伯型匀光板对氘灯辐射度分布进行调整。可满足积分球输出面非均匀性小于1%。

    3 高均匀性积分球结构优化

    为保证大孔径积分球光源的均匀性，减小出光孔的边缘效应，在原有单光源的积分球结构上做出改进。

    3.1 光源数量及空间排布优化

    单光源在经过积分球漫反射后，出射光亮度降低，对保证出射光的均匀性起到了一定的效果。但是由于光源置于积分球一侧，虽然经过数次反射，到达出光孔平面的各部分的能量并不一致，因此，常用积分球很难达到高均匀性。

    在大孔径积分球的出光孔，需要考虑边缘效应，而单光源由于很难保证光在出光孔的对称性，因此难以保证边缘部分的光的能量大小。

    本文采用了一种多光源对称结构。10个光源均匀分布在积分球靠近出光孔的半球上，如图3所示。该结构使得积分球光源能量的对称，可以消除边缘效应带来的影响，保证了出射光的均匀性。

图3 对称结构的积分球设计

    3.2 副积分球的设计

    大孔径积分球由于出射孔径增大，出射光能量增强，对于光敏、高灵敏度探测器等有很大影响，因此设计10个光源中的对称两个光源为副积分球，如图4所示。副积分球的出射光已经很均匀，经过大积分球的漫射，保证了出射光的高均匀性。

图4 对称副积分球光源示意图

    大积分球与副积分球接口部分设置带孔圆形挡板，通过调节挡板中心孔的大小，控制副积分球出射光的能量大小，调节大积分球的出射光强。在调节副积分球挡板时，保证左右两侧对称调节，以保证出射光的均匀性。

    4 定标精度验证测试

    4.1 积分球稳定性测试

    采用单元硅光电探测器对积分球光学系统的开机特性进行测试，硅光电探测器的响应波段为200nm~1100nm，打开积分球光源后，待其工作稳定，每隔1s采集一次数据，连续测量30min，测试结果如图5所示，经计算，积分球出光口稳定性为0.05%。

图5 积分球稳定性测试曲线

    其中，稳定性用相对标准偏差来衡量，相对标准偏差的计算公式如下：

    式中：μ-相对标准偏差；n-总的测量次数；Vi-第i次的采样值；`V-为n次测得的采样值的平均值。

    4.2 积分球均匀性测试

    将单元硅光电探测器固定在二维平移台上，其光轴垂直于出光口面。分别沿水平方向（X轴）和竖直方向（Y轴）平移陷阱探测器，进行网格状测量。本文选用从正方形扫描数据中获取内切圆数据的算法模型，如图6所示。每个扫描点到中心（0，0）的距离d为：

图6 内切圆数据获取示意图

    测试时，光电探测器放在紧贴积分球出光口处，此时积分球辐射均匀性较好。非均匀性计算公式如下：

    式中：u-非均匀性；V_i-各有效点测量电压值（有效点指在出光口内且剔除接近边缘测值明显变化的测点）；`V-各有效点测量电压值的均值；Std_Vi-各有效点测量电压值的标准偏差。

    单光源结构积分球的获取结果如图7所示，其非均匀性为1.24%。改进结构后，获取结果如图8所示，其非均匀性达到0.66%。

    5 结束语

    针对大孔径积分球辐射非均匀性的定标需求，为了达到大孔径高均匀性，改进了积分球光源的结构，设计了对称光源积分球结构并增加了副积分球。通过定标精度验证，传统单光源结构积分球与结构优化后的积分球均匀性对比明显，改进结构效果显著。优化结构后的大孔径积分球出射光达到了高均匀性的要求。

图7 单光源结构积分球结果

图8 优化结构积分球结果