一種亮度可調積分球光源及其應用技術研究

王少水，趙發財，孫權社

（中國電子科技集團公司 第四十一研究所，山東 青島 266555）

引言

在遙感數據定量應用中，遙感儀器的光譜輻射響應函數是影響定量產品反演算法、精度和獲取的地球物理量特征的關鍵因素之一，也是影響空間光學相機輻射定標準確度的主要因素[1-3]。目前國內對定標裝置中的大口徑積分球光源檢測用輻亮度計的光譜輻射響應函數校準采用輻照度標準燈和漫反射白板的方法，這種方法動態范圍小而無法滿足光譜輻射計大動態線性校準的需求[4-5]。

積分球光源具有良好的面發光均勻性、郎伯特性等，廣泛應用于光輻射測量和遙感科學領域[6-13]。在利用積分球光源校準光譜輻射計大動態范圍線性時，需要提高積分球光源輸出亮度的調節范圍，可采用功率調節、出射光闌孔調節、燈的數量控制等方法來實現。

本文設計并研制了一種通過可變空間光闌組實現不同等級輻亮度輸出的積分球光源，直徑為500 mm，出光口直徑為50 mm，內壁噴涂硫酸鋇涂料，配有6 只150 W 的鹵鎢燈，通過固定光闌、可變光闌以及擋板提高輸出輻亮度的重復性和穩定性。利用積分球光源對遮光筒式輻亮度計的光譜輻射響應函數進行了測試，實驗結果表明基于陷阱探測器的遮光筒式輻亮度計在大動態測試范圍內具有很好的線性。

1 高精度亮度可調積分球光源設計

1.1 機械結構設計

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

圖 1 積分球體結構示意圖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，工作在色溫為2 856 K 的鹵鎢燈可作為實用的標準A 光源使用，所以本文采用鹵鎢燈作為發光源，不僅具有良好的穩定性，而且壽命較長，光源自帶反光罩，增加光能。因鹵鎢燈發熱量大，為確保燈的使用壽命，在光源后配置風冷系統進行散熱。風冷系統及光源、透鏡、光闌等組件都安裝在機箱內，機箱頂部有2 個軸流風扇與外界進行熱交換，保證整個系統通風。

1.3 工作模式設計

為保證光源的穩定性，每一個光源都通過高精度的程控穩壓電源供電，以實現對光源的精確控制。由于燈的電阻可能會發生變化，使得控制電流不變的時候燈的發射光通量不一致，因此在積分球上出光孔同側開一個光能測量孔，配照度計對光源進行監控，可根據照度計得到的數據對燈的電流進行微調，保證積分球光源的穩定性。照度計的探頭采用恒溫探頭以確保數據準確性。另外在出光孔同側配有一個光纖接口，方便接入光譜儀，進行光譜測量。

為實現不同等級輻亮度的輸出，1#光源配置連續可調光闌，2#和3#光源配置固定光闌孔轉盤，4#、5#和6#光源配置擋光板。使用時，6 只光源同時開啟，經過預熱達到穩定狀態，然后通過光闌和擋板的組合輸出不同等級的輻亮度信號。

2 遮光筒式輻亮度計設計

傳遞輻射計是實現衛星遙感儀器在軌光譜輻射定標傳遞的核心設備，也是地面實驗室高精度光譜定標系統的關鍵[14-15]。遮光筒式輻亮度計是一種典型的傳遞輻射計，由陷阱探測器和光闌組成，要實現絕對輻亮度的測量關鍵在于選用高精度的光電探測器實現輻射通量的精確測量以及設計一個能限制入射孔徑和立體角的光學系統。

2.1 探測器設計

本文選用3 片反射式陷阱探測器（Trap）作為光電轉換元件，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小于8.08 mm（圖中的大圓）。在實際應用時，考慮到機械調整的誤差和光敏面邊緣響應的非均勻性，光束直徑應取5 mm～6 mm。圖中陰影代表直徑5 mm 的光束。在基于Trap 的輻亮度探測器設計中，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 內發出的輻射通量dΦ，即

要實現絕對輻亮度的測量關鍵在于選用高精度的光電探測器實現輻射通量的精確測量以及設計一個能限制入射孔徑和立體角的光學系統，并對該入射孔徑和立體角進行精確測量?；谝陨戏治?，設計的輻亮度計的光路結構如圖3 所示。應使得探測器的任意點的照度相同，即任何點處的dΩcosθ 均有相同的值，設計時應該取 2a ?H，2b ?H。只要通過探測器測量得到輻射通量，可根據公式（1）就能得出光源的輻亮度L。

圖 3 輻亮度探測器的幾何光學原理圖Fig. 3 Geometric optical schematic diagram of radiance detector

孔徑光闌中心點看視場光闌開口所張平面角為2θ 時，對應的立體角Ω 為

當 2a ?H， 2b ?H均滿足時，公式（2）對孔徑光闌面內的任何點都成立，公式（2）即為輻亮度探測器的立體角。

為了保證入射光束完全經過陷阱探測器每一光敏面內，同時保證在測量過程中避免視場內目標表面的局部非均勻性影響測量結果，綜合考慮到便于加工和測量以及外觀體積的要求，確定輻亮度計光學幾何參數如表1 所示。

表 1 輻亮度探測器的光學幾何參數Table 1 Optical geometric parameters of radiance detector

實際應用過程中，為了減少空間雜散光的影響，在光闌筒內部設計多組消雜光光闌，其光學結構示意圖如圖4 所示。

圖 4 亮度筒光學系統結構示意圖Fig. 4 Structure diagram of brightness barrel optical system

3 亮度可調積分球光源性能測試

3.1 光譜曲線測試

積分球光源采用鹵鎢燈作為發光源，理論上在250 nm～2 500 nm 均 有 輻 射，本 次 實 驗 采用PHOTO RESEARCH 公司的PR-745 型號光譜輻射計進行測試，測試波長范圍380 nm～1 080 nm，測量精度為±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 輻亮度測量范圍及重復性測試

通過軟件控制積分球光源的光闌，使其輸出不同等級的輻亮度，利用PR745 在積分球出口測量380 nm～1 080 nm 范圍內的輻亮度，測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·），輸出范圍達到4 個數量級，大的動態范圍可為輻亮度計的光譜響應函數的評價提供有力保障。

為驗證不同檔位輸出輻亮度的重復性，控制光闌孔使輸出輻亮度從大到小重復7 次，結果表明每個檔位的輸出值在千分位變化，具有很好的輸出重復性。

4 亮度筒光譜響應函數測試

光譜輻射響應函數是指在一定波長范圍內，遙感儀器輸出信號S 與入瞳處輻亮度L 的函數關系，可以展開為泰勒級數如公式（3）所示:

式中：S0為遙感儀器或光輻射測量儀器的暗信號輸出； R1為遙感儀器（或光輻射測量儀器）的線性光譜輻射響應系數，通常稱為絕對光譜輻射響應度；R2,···,Rn為二次及以上的高次輻射響應系數。

利用積分球光源對基于陷阱探測器的亮度筒進行測試，光譜響應函數的測試結果如表2 所示。二次項系數已趨于0，可認為亮度筒輸出信號與輸入輻亮度具有很好的線性關系。同時，也驗證了本文設計的積分球光源可以很好地應用于輻亮度計的光譜響應函數的評價。

表 2 亮度筒光譜響應函數測試結果Table 2 Spectral response function test results of brightness tube

5 結論

設計并研制了一種亮度可調的積分球光源，通過固定光闌、可變光闌和擋板組合控制輸出不同等級的輻亮度信號，可以輸出（0.02～200）W/（m2·Sr）在（380 nm～1 080 nm）范圍的輻亮度，動態范圍達到4 個數量級。同時，本文設計了一款基于陷阱探測器的遮光筒式輻亮度計，利用積分球光源對其光譜響應函數進行了測試分析，結果表明，遮光筒式輻亮度計在大動態范圍內具有很好的線性，后期將研究基于陷阱探測輻亮度計的量值溯源方法，將輻亮度計參數指標溯源至低溫輻射計。