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      一種亮度可調(diào)積分球光源及其應(yīng)用技術(shù)研究

      2020-06-16 01:42:54王少水趙發(fā)財(cái)孫權(quán)社
      應(yīng)用光學(xué) 2020年3期
      關(guān)鍵詞:積分球響應(yīng)函數(shù)亮度

      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)。

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