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專注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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積分球輻射光源照度均勻性研究
引言
積分球作為一種光學(xué)儀器在光度學(xué)與輻射度學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用近百年了。在眾多研究應(yīng)用中，積分球常作為均勻輻射光源來測(cè)試CCD或CMOS等焦面陣列光電器件。然而，由于積分球在實(shí)際制造安裝過程中，積分球殼加工制造、內(nèi)部擋屏幾何位置、漫反射涂層實(shí)際厚度、內(nèi)部光源幾何位置等各種因素的影響，使得實(shí)際積分球輻射光源開口處照度均勻性很不理想。
1 理論分析
如圖1所示，在測(cè)試空間遙感相機(jī)等成像光電系統(tǒng)時(shí)，需要積分球輻射光源提供一個(gè)均勻（輻）亮度場(chǎng)，以充滿被測(cè)系統(tǒng)光學(xué)入瞳并在焦面陣列光電器件上成像，光電器件響應(yīng)信號(hào)被采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄和整理。
圖2 光電器件測(cè)試示意圖
2.1 理想積分球輻射光源
圖3 積分球輻射光源數(shù)值解析模型
圖4 理想積分球輻射光源照度均勻性分布
2.2 非理想積分球輻射光源
數(shù)值解析方法的前提是假設(shè)積分球輻射光源為理想朗伯體，而在實(shí)際條件下，積分球輻射光源是非理想朗伯體。針對(duì)非理想條件下積分球輻射光源照度分布情況，我們采用基于蒙特卡羅（Monte Carlo）的光線追跡方法，對(duì)一出口輻亮度面均勻性94%的積分球輻射光源模型進(jìn)行仿真。參考圖3積分球解析模型建立圖5所示非理想積分球輻射光源仿真模型。在光學(xué)軟件TracePro中使用3.2×107條光線對(duì)仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
非理想積分球輻射光源仿真結(jié)果如圖6所示。
圖5 非理想積分球輻射光源仿真模型
3 實(shí)驗(yàn)與討論
3.1 照度均勻性實(shí)驗(yàn)
對(duì)兩套積分球輻射光源——DIS70和DIS180分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，積分球直徑、出口直徑、開口率和輻亮度面均勻性參數(shù)如表1所示。
積分球輻射光源照度均勻性測(cè)試方案為：把照度探測(cè)器固定在二維平移臺(tái)上，選定平移臺(tái)掃描平面與積分球出口平面距離L后，探測(cè)器在平移臺(tái)掃描平面內(nèi)以適當(dāng)間隔進(jìn)行網(wǎng)格狀掃描。
采用此測(cè)試方案分別對(duì)積分球輻射光源DIS70、DIS180進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所得數(shù)據(jù)整理后列于表2和表3，D為積分球出口直徑，d為光電器件受光面直徑。
|
參量 |
積分球輻射光源 |
|
|
DIS180 |
DIS70 |
|
|
積分球直徑/mm |
470 |
470 |
|
出口直徑/mm |
70 |
180 |
|
開口率/% |
3.7 |
5.7 |
|
輻亮度面均勻性/% |
98.2 |
97.9 |
|
d/D |
照度均勻性UE |
|||||||||||
|
光電器件距離與出口直徑比（L/D） |
||||||||||||
|
0.00 |
0.10 |
0.20 |
0.25 |
0.50 |
0.75 |
1.00 |
1.50 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
5.00 |
|
|
0.1 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.2 |
0.99 |
0.99 |
0.98 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.3 |
0.98 |
0.98 |
0.96 |
0.95 |
0.96 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.4 |
0.96 |
0.93 |
0.89 |
0.88 |
0.90 |
0.95 |
0.96 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
|
0.5 |
0.94 |
0.88 |
0.84 |
0.83 |
0.87 |
0.92 |
0.95 |
0.97 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
1.00 |
|
0.6 |
0.92 |
0.83 |
0.80 |
0.78 |
0.83 |
0.90 |
0.93 |
0.96 |
0.97 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
|
0.7 |
0.86 |
0.76 |
0.73 |
0.72 |
0.79 |
0.87 |
0.91 |
0.95 |
0.96 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
|
0.8 |
0.76 |
0.68 |
0.66 |
0.66 |
0.73 |
0.83 |
0.89 |
0.94 |
0.95 |
0.96 |
0.97 |
0.99 |
|
0.9 |
0.70 |
0.63 |
0.62 |
0.63 |
0.71 |
0.81 |
0.87 |
0.93 |
0.94 |
0.96 |
0.97 |
0.99 |
|
1.0 |
0.57 |
0.55 |
0.55 |
0.59 |
0.67 |
0.78 |
0.85 |
0.92 |
0.93 |
0.95 |
0.97 |
0.99 |
表3 DIS180照度均勻性測(cè)試結(jié)果
