大口徑積分球光源絕對輻射定標(biāo)技術(shù)研究

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

積分球光源作為光輻射計量測試領(lǐng)域的重要設(shè)備，提供了1個均勻漫射擴(kuò)展光源，主要用于光度/輻射度測量儀器、光譜儀以及CCD成像系統(tǒng)校準(zhǔn)，通常由積分球、內(nèi)置或外置光源和通電系統(tǒng)組成[1-5]。按照使用波段及色溫要求，光源通常選用鹵鎢燈、LED 燈或氙燈[6-8]。積分球內(nèi)壁噴涂聚四氟乙烯、硫酸鋇等白色漫反射材料，也可采用鍍鋁、鍍金的設(shè)計[9-11]。

目前國內(nèi)相關(guān)計量測試機(jī)構(gòu)在積分球光源中心點光譜輻亮度、輻射均勻性、余弦特性和穩(wěn)定性等參數(shù)測試定標(biāo)方面做了部分研究工作，研制了積分球輻射性能測試裝置[12-13]。隨著出光口口徑為Ф500mm的積分球光源在CCD 型光譜輻射度計及成像光譜儀的校準(zhǔn)測試中得到廣泛應(yīng)用，對高精度絕對光譜輻射定標(biāo)提出迫切需求[14-15]。

采用基于標(biāo)準(zhǔn)光源的比對法和同心圓掃描法研究了大口徑積分球光源光譜輻射亮度、亮度、色溫等參數(shù)的絕對輻射定標(biāo)方法，研建了絕對輻射定標(biāo)裝置，對實驗室現(xiàn)有直徑1 m、出光口徑Ф300mm的積分球光源進(jìn)行了校準(zhǔn)，并分析評估了測量不確定度。

1 絕對輻射定標(biāo)方法

1.1 光譜輻射亮度定標(biāo)方法

1）采用基于標(biāo)準(zhǔn)光源的比對法完成積分球光源出光口中心點位置光譜輻射亮度的定標(biāo)。

在光學(xué)暗室環(huán)境下光源發(fā)出的光輻射經(jīng)輸入光學(xué)系統(tǒng)入射到分光系統(tǒng)入射狹縫，從分光系統(tǒng)出射狹縫輸出的單色光經(jīng)輸出光學(xué)系統(tǒng)后入射到探測器敏感面。

當(dāng)測量光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈時，探測器的輸出信號is（λ）為

式中：Ls（λ）為光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射亮度；ρ（λ）為輸入、輸出光學(xué)系統(tǒng)的光譜反射率；F（λ）為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；R（λ）為探測器的光譜響應(yīng)度；η（λ）為分光系統(tǒng)衍射效率；i0（λ）為背景信號。

在相同條件下，光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈移出光路，調(diào)節(jié)積分球光源使其出光口中心點位置清晰成像在分光系統(tǒng)入射狹縫，探測器的輸出的信號為

式中：Lt（λ）為積分球光源出光口中心點位置的光譜輻射亮度。

比較上邊兩式，整理后得：

由式（3）可知，由光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射亮度值，便可獲得待測積分球光源出光口中心點的光譜輻射亮度Lt（λ）。

2）積分球光源出光口空間均勻性定標(biāo)。

采用“同心圓掃描法”按設(shè)定的半徑步進(jìn)Δr和角度步進(jìn)Δθ在被標(biāo)定積分球光源的出光口平面進(jìn)行掃描，每掃描到一個位置，計算機(jī)采集系統(tǒng)讀取一組等光譜間隔的輸出信號V（Δr，Δθ，λ）。則被標(biāo)積分球光源光譜輻射均勻性為出光口空間任一位置點V（Δr，Δθ，λ）的信號與積分球光源出光口中心點輸出信號V0（0，0，λ）之比：

3）計算大口徑積分球光源出光口空間各個點的光譜輻射亮度為

1.2 光亮度復(fù)現(xiàn)方法

當(dāng)積分球光源的光譜輻射亮度已知后，根據(jù)光度學(xué)和輻射度學(xué)理論，可通過（6）式計算得到被測積分球光源的光亮度L為

式中：km為最大光譜光視效能值；V（λ）為視覺函數(shù)。

1.3 色坐標(biāo)、色溫定標(biāo)方法

由積分球光源的光譜輻射亮度分布，按照1931CIE xy色度系統(tǒng)計算積分球光源的三刺激值，得到積分球光源的色坐標(biāo)，由（7）式計算得到色溫值為

2 絕對輻射定標(biāo)裝置

大口徑積分球光源絕對輻射定標(biāo)裝置由兩部分組成：光譜輻射亮度定標(biāo)裝置，實現(xiàn)積分球光源出光口中心點位置光譜輻射亮度定標(biāo)；出光口光譜輻射均勻性定標(biāo)裝置，實現(xiàn)積分球光源出光口平面光譜輻射均勻性定標(biāo)。然后由中心點光譜輻射亮度值和光譜輻射均勻性定標(biāo)結(jié)果計算得到積分球出光口不同位置處光譜輻射亮度、光亮度、色溫。

2.1 光譜輻射亮度定標(biāo)裝置

光譜輻射亮度定標(biāo)裝置采用基于標(biāo)準(zhǔn)光源的比對法，由標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)、輸入光學(xué)系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、輸出光學(xué)系統(tǒng)、探測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和綜合型測量軟件等組成，如圖1所示。

圖1 光譜輻射亮度定標(biāo)裝置Fig.1 Spectral radiance absolute calibration device

標(biāo)準(zhǔn)光源系統(tǒng)包括一組鎢帶燈、穩(wěn)壓穩(wěn)流電源及一維移動平臺等，其中，鎢帶燈提供可見到近紅外標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度量值，一維移動平臺用于切換標(biāo)準(zhǔn)光源與被測積分球光源；輸入光學(xué)系統(tǒng)與輸出光學(xué)系統(tǒng)類似，均由一組平面鏡和球面鏡等組成，輸入光學(xué)系統(tǒng)將光源以1:1成像在單色儀的入縫處，而輸出光學(xué)系統(tǒng)則將單色儀出縫清晰成像在探測器的接收面上；分光系統(tǒng)包括一組濾光片、單色儀、電動快門、斬波器及各自的控制器等，光源輻射信號經(jīng)過分光系統(tǒng)后由連續(xù)的光譜信號變成一組離散的單色光譜信號；探測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括Si 探測器、InGaAs 探測器、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)字電壓表及用于安裝和調(diào)試的一維精密平臺等，覆蓋300 nm～2 000 nm波段，完成光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行電信號放大。

2.2 出光口光譜輻射均勻性定標(biāo)裝置

出光口光譜輻射均勻性定標(biāo)裝置由多維電控精密旋轉(zhuǎn)平臺、瞬態(tài)光譜儀、激光調(diào)節(jié)器及計算機(jī)采集、處理與控制系統(tǒng)等組成。

如圖2所示，多維電控精密旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計為在Φ300mm 電控旋轉(zhuǎn)臺上加載行程為280mm的一維掃描平臺的方法來實現(xiàn)積分球光源輻射平面的“同心圓”掃描。其中掃描半徑為280mm，直徑達(dá)到560mm，可以完全覆蓋積分球光源的口徑范圍。瞬態(tài)光譜儀是實現(xiàn)積分球光源光譜輻射信號快速準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵設(shè)備，由入射光纖、光纖耦合器、狹縫、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡、面陣探測器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中光纖輸入端固定在多維電控精密旋轉(zhuǎn)平臺的一維平移臺滑塊中心位置，用于接收被標(biāo)定積分球光源輻射平面不同位置處的光輻射信號。激光調(diào)節(jié)器用于激光二維定位，確定基準(zhǔn)面使掃描平面與積分球光源輻射平面平行。計算機(jī)信號采集、處理與控制系統(tǒng)分別與電移臺控制器、瞬態(tài)光譜儀器相連，計算被標(biāo)定積分球光譜輻射均勻性，顯示定標(biāo)結(jié)果。

圖2 光譜輻射均勻性定標(biāo)裝置Fig.2 Spectral radiation uniformity calibration device

3 實驗結(jié)果及測量不確定度分析

3.1 實驗結(jié)果

對圖3所示直徑1 m、出光口徑Ф300mm的大口徑積分球光源進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)，表1為光源出光口中心點位置在波長范圍為300 nm～2 000 nm的光譜輻射亮度定標(biāo)結(jié)果代入（6）式和（7）式計算可得可見光波段，光亮度值為3.403×103cd/m2，色溫值為2854 k。

圖3 大口徑積分球光源實物圖（拍攝加燈照明情況下的實物照片）Fig.3 Physical picture of large aperture integrating sphere source

表1 積分球光源光譜輻射亮度絕對定標(biāo)結(jié)果Table1 Spectral radiance absolute calibration results of integrating sphere source

圖4為光源出光口典型波長點（從左往右依次為波長300 nm、650 nm、2 000 nm）光譜輻射空間均勻性定標(biāo)結(jié)果，可以看出積分球中心區(qū)域空間均勻性優(yōu)于邊緣區(qū)域，在紫外波段由于鹵素?zé)舻墓庾V輻射亮度數(shù)值很小和積分球涂層噴涂引起的光譜反射率變化，空間均勻性差于可見和近紅外波段。

圖4 光譜輻射空間均勻性定標(biāo)結(jié)果Fig.4 Calibration results of spatial uniformity of spectral radiation

3.2 測量不確定度分析

大口徑積分球光源出光口平面光譜輻射亮度定標(biāo)不確定度分析詳見表2。其中光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射亮度、分光系統(tǒng)波長和探測系統(tǒng)非線性測量不確定度由校準(zhǔn)證書得到；空間光譜輻射均勻性測量不確定度影響因素主要包括多維電控精密旋轉(zhuǎn)平臺調(diào)整機(jī)構(gòu)、瞬態(tài)光譜儀光譜輻射測量非線性和環(huán)境雜散光等，實驗測量評估優(yōu)于1.2%；經(jīng)過大量的實驗得到測量重復(fù)性引入的測量不確定度均優(yōu)于1.0%。

表2 光譜輻射亮度定標(biāo)測量不確定度分析Table2 Measurement uncertainty analysis of spectral radiance calibration

綜合各項測量不確定度分量的貢獻(xiàn)，使用大口徑積分球光源絕對輻射定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行出光口平面的光譜輻亮度定標(biāo)不確定度優(yōu)于4%。

4 結(jié)論

研制了大口徑積分球光源絕對輻射定標(biāo)裝置，采用以光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈為基礎(chǔ)的比對法實現(xiàn)光源出光口中心點位置光譜輻射亮度標(biāo)定；通過同心圓掃描得到出光口空間光譜輻射均勻性，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)光源出光口不同位置處光譜輻射亮度、光亮度、色溫的高精度定標(biāo)，實驗室測量了出光口徑Ф300mm的積分球光源，其光譜輻射亮度測量不確定度為4%。該輻射定標(biāo)裝置具有光譜范圍寬、測量精度高等特點，不僅適用于各類積分球光源光譜輻射亮度的測試，對大口徑近紫外到近紅外目標(biāo)模擬器的計量測試也具有重要的指導(dǎo)意義。