一種亮度可調(diào)積分球光源及其應(yīng)用技術(shù)研究

王少水，趙發(fā)財(cái)，孫權(quán)社

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島 266555）

引言

在遙感數(shù)據(jù)定量應(yīng)用中，遙感儀器的光譜輻射響應(yīng)函數(shù)是影響定量產(chǎn)品反演算法、精度和獲取的地球物理量特征的關(guān)鍵因素之一，也是影響空間光學(xué)相機(jī)輻射定標(biāo)準(zhǔn)確度的主要因素[1-3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)定標(biāo)裝置中的大口徑積分球光源檢測(cè)用輻亮度計(jì)的光譜輻射響應(yīng)函數(shù)校準(zhǔn)采用輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈和漫反射白板的方法，這種方法動(dòng)態(tài)范圍小而無(wú)法滿足光譜輻射計(jì)大動(dòng)態(tài)線性校準(zhǔn)的需求[4-5]。

積分球光源具有良好的面發(fā)光均勻性、郎伯特性等，廣泛應(yīng)用于光輻射測(cè)量和遙感科學(xué)領(lǐng)域[6-13]。在利用積分球光源校準(zhǔn)光譜輻射計(jì)大動(dòng)態(tài)范圍線性時(shí)，需要提高積分球光源輸出亮度的調(diào)節(jié)范圍，可采用功率調(diào)節(jié)、出射光闌孔調(diào)節(jié)、燈的數(shù)量控制等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)并研制了一種通過(guò)可變空間光闌組實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)輻亮度輸出的積分球光源，直徑為500 mm，出光口直徑為50 mm，內(nèi)壁噴涂硫酸鋇涂料，配有6 只150 W 的鹵鎢燈，通過(guò)固定光闌、可變光闌以及擋板提高輸出輻亮度的重復(fù)性和穩(wěn)定性。利用積分球光源對(duì)遮光筒式輻亮度計(jì)的光譜輻射響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于陷阱探測(cè)器的遮光筒式輻亮度計(jì)在大動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍內(nèi)具有很好的線性。

1 高精度亮度可調(diào)積分球光源設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

積分球光源的出光孔開(kāi)在半球的正中間，采用6 只A 光源發(fā)光，位于積分球出光口一側(cè)，其中1 個(gè)光源位于中間，另5 個(gè)光源均勻分布并與出光口處的光軸成45°角，每個(gè)光源都先經(jīng)過(guò)透鏡聚光，進(jìn)入積分球，在2 個(gè)半球的中間使用一個(gè)F4 涂層的大擋光板，使6 個(gè)光源的光投射到擋光板上進(jìn)行反射，避免光直接從出光口處射出。這樣的設(shè)計(jì)可以使光在積分球內(nèi)經(jīng)過(guò)多次的反射，使光分布更均勻，如圖1 所示（圖中單位：mm)。

圖 1 積分球體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure sketch map of integrating sphere

1.2 光源選擇

由于鹵鎢燈的相對(duì)光譜功率分布與完全輻射體更加接近，在紫外部分的輻射比常用的鎢絲燈強(qiáng)，工作在色溫為2 856 K 的鹵鎢燈可作為實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)A 光源使用，所以本文采用鹵鎢燈作為發(fā)光源，不僅具有良好的穩(wěn)定性，而且壽命較長(zhǎng)，光源自帶反光罩，增加光能。因鹵鎢燈發(fā)熱量大，為確保燈的使用壽命，在光源后配置風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。風(fēng)冷系統(tǒng)及光源、透鏡、光闌等組件都安裝在機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱頂部有2 個(gè)軸流風(fēng)扇與外界進(jìn)行熱交換，保證整個(gè)系統(tǒng)通風(fēng)。

1.3 工作模式設(shè)計(jì)

為保證光源的穩(wěn)定性，每一個(gè)光源都通過(guò)高精度的程控穩(wěn)壓電源供電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的精確控制。由于燈的電阻可能會(huì)發(fā)生變化，使得控制電流不變的時(shí)候燈的發(fā)射光通量不一致，因此在積分球上出光孔同側(cè)開(kāi)一個(gè)光能測(cè)量孔，配照度計(jì)對(duì)光源進(jìn)行監(jiān)控，可根據(jù)照度計(jì)得到的數(shù)據(jù)對(duì)燈的電流進(jìn)行微調(diào)，保證積分球光源的穩(wěn)定性。照度計(jì)的探頭采用恒溫探頭以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。另外在出光孔同側(cè)配有一個(gè)光纖接口，方便接入光譜儀，進(jìn)行光譜測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)輻亮度的輸出，1#光源配置連續(xù)可調(diào)光闌，2#和3#光源配置固定光闌孔轉(zhuǎn)盤，4#、5#和6#光源配置擋光板。使用時(shí)，6 只光源同時(shí)開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后通過(guò)光闌和擋板的組合輸出不同等級(jí)的輻亮度信號(hào)。

2 遮光筒式輻亮度計(jì)設(shè)計(jì)

傳遞輻射計(jì)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感儀器在軌光譜輻射定標(biāo)傳遞的核心設(shè)備，也是地面實(shí)驗(yàn)室高精度光譜定標(biāo)系統(tǒng)的關(guān)鍵[14-15]。遮光筒式輻亮度計(jì)是一種典型的傳遞輻射計(jì)，由陷阱探測(cè)器和光闌組成，要實(shí)現(xiàn)絕對(duì)輻亮度的測(cè)量關(guān)鍵在于選用高精度的光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)輻射通量的精確測(cè)量以及設(shè)計(jì)一個(gè)能限制入射孔徑和立體角的光學(xué)系統(tǒng)。

2.1 探測(cè)器設(shè)計(jì)

本文選用3 片反射式陷阱探測(cè)器（Trap）作為光電轉(zhuǎn)換元件，Trap 中光電二極管光敏面在垂直于光軸的平面上的投影如圖2 所示(圖中單位：mm)，入射光束在光敏面上的最大直徑應(yīng)小于8.08 mm（圖中的大圓）。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到機(jī)械調(diào)整的誤差和光敏面邊緣響應(yīng)的非均勻性，光束直徑應(yīng)取5 mm～6 mm。圖中陰影代表直徑5 mm 的光束。在基于Trap 的輻亮度探測(cè)器設(shè)計(jì)中，將保證任何情況下，入射光束在光敏面上的截面尺度小于6 mm。

圖 2 Trap 中光電二極管光敏面投影Fig. 2 Photosensitive plane projection of photodiodes in Trap

2.2 孔徑光闌、視場(chǎng)光闌及其間距的確定

輻亮度L 定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積dA·cosθ，單位立體角dΩ 內(nèi)發(fā)出的輻射通量dΦ，即

要實(shí)現(xiàn)絕對(duì)輻亮度的測(cè)量關(guān)鍵在于選用高精度的光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)輻射通量的精確測(cè)量以及設(shè)計(jì)一個(gè)能限制入射孔徑和立體角的光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)該入射孔徑和立體角進(jìn)行精確測(cè)量?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)的輻亮度計(jì)的光路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。應(yīng)使得探測(cè)器的任意點(diǎn)的照度相同，即任何點(diǎn)處的dΩcosθ 均有相同的值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取 2a ?H，2b ?H。只要通過(guò)探測(cè)器測(cè)量得到輻射通量，可根據(jù)公式（1）就能得出光源的輻亮度L。

圖 3 輻亮度探測(cè)器的幾何光學(xué)原理圖Fig. 3 Geometric optical schematic diagram of radiance detector

孔徑光闌中心點(diǎn)看視場(chǎng)光闌開(kāi)口所張平面角為2θ 時(shí)，對(duì)應(yīng)的立體角Ω 為

當(dāng) 2a ?H， 2b ?H均滿足時(shí)，公式（2）對(duì)孔徑光闌面內(nèi)的任何點(diǎn)都成立，公式（2）即為輻亮度探測(cè)器的立體角。

為了保證入射光束完全經(jīng)過(guò)陷阱探測(cè)器每一光敏面內(nèi)，同時(shí)保證在測(cè)量過(guò)程中避免視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)表面的局部非均勻性影響測(cè)量結(jié)果，綜合考慮到便于加工和測(cè)量以及外觀體積的要求，確定輻亮度計(jì)光學(xué)幾何參數(shù)如表1 所示。

表 1 輻亮度探測(cè)器的光學(xué)幾何參數(shù)Table 1 Optical geometric parameters of radiance detector

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了減少空間雜散光的影響，在光闌筒內(nèi)部設(shè)計(jì)多組消雜光光闌，其光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖 4 亮度筒光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure diagram of brightness barrel optical system

3 亮度可調(diào)積分球光源性能測(cè)試

3.1 光譜曲線測(cè)試

積分球光源采用鹵鎢燈作為發(fā)光源，理論上在250 nm～2 500 nm 均 有 輻 射，本 次 實(shí) 驗(yàn) 采用PHOTO RESEARCH 公司的PR-745 型號(hào)光譜輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波長(zhǎng)范圍380 nm～1 080 nm，測(cè)量精度為±2%，積分球光源的光譜輻亮度曲線如圖5 所示。

圖 5 積分球光源光譜輻亮度曲線Fig. 5 Spectral radiance curve of integral sphere light source

3.2 輻亮度測(cè)量范圍及重復(fù)性測(cè)試

通過(guò)軟件控制積分球光源的光闌，使其輸出不同等級(jí)的輻亮度，利用PR745 在積分球出口測(cè)量380 nm～1 080 nm 范圍內(nèi)的輻亮度，測(cè)得最大值和最小值分別為2.115 E+02 W/（m2·Sr·）和1.957 E-02 W/（m2·Sr·），輸出范圍達(dá)到4 個(gè)數(shù)量級(jí)，大的動(dòng)態(tài)范圍可為輻亮度計(jì)的光譜響應(yīng)函數(shù)的評(píng)價(jià)提供有力保障。

為驗(yàn)證不同檔位輸出輻亮度的重復(fù)性，控制光闌孔使輸出輻亮度從大到小重復(fù)7 次，結(jié)果表明每個(gè)檔位的輸出值在千分位變化，具有很好的輸出重復(fù)性。

4 亮度筒光譜響應(yīng)函數(shù)測(cè)試

光譜輻射響應(yīng)函數(shù)是指在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，遙感儀器輸出信號(hào)S 與入瞳處輻亮度L 的函數(shù)關(guān)系，可以展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)如公式（3）所示:

式中：S0為遙感儀器或光輻射測(cè)量?jī)x器的暗信號(hào)輸出； R1為遙感儀器（或光輻射測(cè)量?jī)x器）的線性光譜輻射響應(yīng)系數(shù)，通常稱為絕對(duì)光譜輻射響應(yīng)度；R2,···,Rn為二次及以上的高次輻射響應(yīng)系數(shù)。

利用積分球光源對(duì)基于陷阱探測(cè)器的亮度筒進(jìn)行測(cè)試，光譜響應(yīng)函數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表2 所示。二次項(xiàng)系數(shù)已趨于0，可認(rèn)為亮度筒輸出信號(hào)與輸入輻亮度具有很好的線性關(guān)系。同時(shí)，也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的積分球光源可以很好地應(yīng)用于輻亮度計(jì)的光譜響應(yīng)函數(shù)的評(píng)價(jià)。

表 2 亮度筒光譜響應(yīng)函數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 2 Spectral response function test results of brightness tube

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并研制了一種亮度可調(diào)的積分球光源，通過(guò)固定光闌、可變光闌和擋板組合控制輸出不同等級(jí)的輻亮度信號(hào)，可以輸出（0.02～200）W/（m2·Sr）在（380 nm～1 080 nm）范圍的輻亮度，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到4 個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了一款基于陷阱探測(cè)器的遮光筒式輻亮度計(jì)，利用積分球光源對(duì)其光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明，遮光筒式輻亮度計(jì)在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有很好的線性，后期將研究基于陷阱探測(cè)輻亮度計(jì)的量值溯源方法，將輻亮度計(jì)參數(shù)指標(biāo)溯源至低溫輻射計(jì)。