高均匀性大孔径积分球光源结构优化及验证

汪择宏 王景新

摘 要：对出光孔直径20cm的大孔径积分球辐射均匀性光源进行了结构改进，设计了对称多光源积分球系统，保证了出射光的均匀性；设计了副积分球调节挡板，控制出射光的功率；验证了优化后的高均匀性积分球光源定标系统的定标精度，结果表明，改进后的积分球出射光非均匀性小于1%。

关键词：积分球；结构；定标精度

中图分类号：TH703 文献标志码：A 文章编号：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

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[1-3]。

长春光学机密机械与物理研究所的李葆勇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[4]；李东景等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[5]；谭家海等设计了一套能够大批量、快速标定科学级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[6]。

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[7-8]。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，而是在光源旁設置挡板，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%[9-10]。

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：

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

（1）

（2）

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。

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。

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。

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，保證了出射光的高均匀性。

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%。

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：

（3）

式中：？滋-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：

d=（i，j=0，1，2......20） （4）

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：

u=StdV/V×100% （5）

式中：u-非均匀性；Vi-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；Stdv-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。

参考文献：

[1]李葆勇，任建伟，万志，等.一种空间相机辐射定标用大面积辐射光源的研制[J].光电子·激光，2013（3）：464-469.

[2]王恒飞，吴斌，刘红元，等.一种新型大孔径积分球辐射均匀性定标方法[J].光学学报，2013，33（b12）：110-114.

[3]麻文龙，邱亚峰.积分球出光孔亮度衰减测试系统研究[J].红外技术，2017，39（4）：317-322.

[4]李葆勇.一种积分球扩展光源系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2012（1）：38-40.

[5]李东景，于平，齐心达.星上定标积分球系统的设计[J].光电子技术，2011，31（01）：57-62.

[6]谭家海，陈永权，屈有山，等.科学级CCD相机标定系统的设计[J].光子学报，2011，40（s1）：85-89.

[7]袁银麟，徐俊，翟文超，等.大孔径可调光谱积分球参考光源研制和检测[J].光学学报，2013，33（07）：211-218.

[8]叶钊，任建伟，李葆勇，等.大口径积分球辐射定标光源辐射性能研究[J].宇航计测技术，2012，32（32）：39-44.

[9]宋茂新，杨本永，袁银麟，等.多角度偏振辐射计星上积分球结构设计及检测[J].光学精密工程，2012，11.

[10]赫英威，李平，吴厚平，等.积分球辐射光源照度均匀性研究[J].应用光学，2012，33（03）：548-553.