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一種環形屏積分球光源的輻照均勻度研究

    引言
    積分球作為一種測量發光體光學參數的高效率儀器，常用于測量光譜強度與功率、光通量、散射體分布、顏色溫度、電學特性等參數。積分球光源主要用途是可以作為參考源校準各種光度輻射儀器，其照度均勻性研究對于光學遙感儀器的研制與標定、均勻光源的推廣使用等方面具有重要的參考價值。其次，積分球均勻光源可以對CCD相機、CCS太陽光準直系統、圖象陣列及實驗室光學成像系統進行校準，廣泛應用于生物制藥、醫學成像等領域。此外，也可以應用在航空航天遙感探測儀器的研制與標定方面。
    有關積分球結構、材料涂層、光源位置、出口面距離等因素對輻照度的影響，有很多學者做了相關研究。Chen Yang等人對一種十二面體積分球光源結構進行了研究，并得到了不均勻性小于2％的均勻區域。S.Park等人對一種六端口高均勻度的積分球光源結構進行了研究，并驗證此勻光系統相關的空間不匹配誤差小于1.4％。Belov等人對帶內篩的、探測器散熱器外置的積分球結構進行了研究。Bin Liu等人對于積分球體內部結構和噴涂材料性能進行了研究，結果表明積分球結構和涂層反射系數共同決定數據的準確性。國內，劉洪興等人對積分球光源位置及照明條件變化進行了研究，實測驗證了其輻照度面均勻性及朗伯特性。張貴彥等人對積分球出口面距離對輻照度的影響進行了研究，得到了適當距離處的均勻照度場。
    常規積分球由于受其自身結構、擋板位置、光源類型等因素影響，導致接收器出射光源的照度均勻性不夠理想。本文提出了一種具有環形遮擋屏的積分球光源結構，并對積分球光源類型、擋板位置、開口大小等因素對光源均勻性的影響進行了研究。選用發光二極管（LED）作為光源，由于發光二極管（LED）具有發光效率高、耗量小、壽命長、成本低、光色純正、易于控制安裝等優點，因此選用其作為光源。在設計過程中，為有效增加光線在積分球內部的漫反射次數，環形擋屏后面的LED光源進行了等距離放置。為進一步提高光源的均勻性，基于蒙特卡洛算法對所提出的積分球結構、光源類型以及光源個數進行了優化。

    1 結構模型

    如圖1所示，設計了一個具有環形遮擋屏的積分球光度儀模型，其主要組成部分包括內壁均勻噴涂了漫反射物質的球形腔體、環形遮擋屏、等距離放置的非均勻LED光源、均勻光出光口以及接收裝置。該環形屏積分球結構中，LED光源可以選取朗伯特類型、準直光源類型；環形擋板的位置可以在積分球剖切面方向改動，且環形擋板的開口半徑可以調整；積分球開口大小也可有不同選擇。LED光源朝向積分球左半球內壁方向均勻發散光線。

    則對應的抽樣光線方向向量為

    如圖2所示是光線的蒙特卡洛光線追跡過程。首先要建立發光體光線幾何面的參數方程ｆ(α,β,γ)，通過構建蒙特卡洛算法，取(0,1)區間上均勻分布的隨機數，在幾何面上采樣發光點，得到隨機采樣的出射光線。聯立抽樣光線所在的直線方程與幾何面參數方程，求得與積分球面的入射點Q₀并進行取舍判斷。若抵達接收器的光線數量達到了Ｎ條，則光線追跡結束。ｆ(α,β,γ)決定了光源的特性，對于朗伯特光源，可以根據抽樣光線方向向量(x₀,y₀,z₀₎以及幾何面法線向量的余弦得到發光強度，如（3）式及（4）式所示；對于其他類型的光源，則根據其出射特性調整ｆ(α,β,γ)的分布。

圖２光線追跡流程圖

    為得到趨于理想的均勻光，選取合適的參數對照度均勻度進行評估極為重要。通常U₀、U₁、U₂以及Bias這4個指標被用來評估照度的均勻度，如（5）式所示：

    式中：E_max是照度的最大值；E_min是照度的最小值；E_av是照度的平均值；U₀表示照度均勻度的均差；U₁、U₂表示照度均勻度的極差，這3個參數值越接近1，表示光線分布得越均勻；Bias表示輻照度的最大相對偏差，其值越大，表示光線分布越不均勻。

    4 結果及分析

    基于圖1所示的結構，對源類型、擋板位置、開口大小、光源數量等參數進行了優化，其他參數如表1所示。

圖3 光源類型及擋板位置對歸一化輻照均勻度的影響