积分球均匀光源

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一种环形屏积分球光源的辐照均匀度研究

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一种环形屏积分球光源的辐照均匀度研究

    引言
    积分球作为一种测量发光体光学参数的高效率仪器,常用于测量光谱强度与功率、光通量、散射体分布、颜色温度、电学特性等参数。积分球光源主要用途是可以作为参考源校准各种光度辐射仪器,其照度均匀性研究对于光学遥感仪器的研制与标定、均匀光源的推广使用等方面具有重要的参考价值。其次,积分球均匀光源可以对CCD相机、CCS太阳光准直系统、图象阵列及实验室光学成像系统进行校准,广泛应用于生物制药、医学成像等领域。此外,也可以应用在航空航天遥感探测仪器的研制与标定方面。
    有关积分球结构、材料涂层、光源位置、出口面距离等因素对辐照度的影响,有很多学者做了相关研究。Chen Yang等人对一种十二面体积分球光源结构进行了研究,并得到了不均匀性小于2%的均匀区域。S.Park等人对一种六端口高均匀度的积分球光源结构进行了研究,并验证此匀光系统相关的空间不匹配误差小于1.4%。Belov等人对带内筛的、探测器散热器外置的积分球结构进行了研究。Bin Liu等人对于积分球体内部结构和喷涂材料性能进行了研究,结果表明积分球结构和涂层反射系数共同决定数据的准确性。国内,刘洪兴等人对积分球光源位置及照明条件变化进行了研究,实测验证了其辐照度面均匀性及朗伯特性。张贵彦等人对积分球出口面距离对辐照度的影响进行了研究,得到了适当距离处的均匀照度场。
    常规积分球由于受其自身结构、挡板位置、光源类型等因素影响,导致接收器出射光源的照度均匀性不够理想。本文提出了一种具有环形遮挡屏的积分球光源结构,并对积分球光源类型、挡板位置、开口大小等因素对光源均匀性的影响进行了研究。选用发光二极管(LED)作为光源,由于发光二极管(LED)具有发光效率高、耗量小、寿命长、成本低、光色纯正、易于控制安装等优点,因此选用其作为光源。在设计过程中,为有效增加光线在积分球内部的漫反射次数,环形挡屏后面的LED光源进行了等距离放置。为进一步提高光源的均匀性,基于蒙特卡洛算法对所提出的积分球结构、光源类型以及光源个数进行了优化。

    1 结构模型

    如图1所示,设计了一个具有环形遮挡屏的积分球光度仪模型,其主要组成部分包括内壁均匀喷涂了漫反射物质的球形腔体、环形遮挡屏、等距离放置的非均匀LED光源、均匀光出光口以及接收装置。该环形屏积分球结构中,LED光源可以选取朗伯特类型、准直光源类型;环形挡板的位置可以在积分球剖切面方向改动,且环形挡板的开口半径可以调整;积分球开口大小也可有不同选择。LED光源朝向积分球左半球内壁方向均匀发散光线。

图1 环形屏积分球光源结构示意图
    2 蒙特卡洛算法
    蒙特卡洛算法(Monte Carlo Method)是一种以概率统计为指导思想的随机采样模拟方法。在现实的众多领域中,用求解离散方程的办法来模拟测量非常困难,所以通过计算机对大量样本进行随机抽样、数字模拟,来达成因复杂的数学运算而难以实现的目标。对于理想点光源而言,假设它往积分球模型中的任意方向发散的光线都是均匀分布的,且每条光线辐照能量相等。随机抽取一条光线,设定其方向向量为(x0,y0,z0),天顶角为θ,圆周角为。选取最简单也是最基本的矩形分布,即(0,1)上均匀分布的随机数r1,r2

    则对应的抽样光线方向向量为

    如图2所示是光线的蒙特卡洛光线追迹过程。首先要建立发光体光线几何面的参数方程f(α,β,γ),通过构建蒙特卡洛算法,取(0,1)区间上均匀分布的随机数,在几何面上采样发光点,得到随机采样的出射光线。联立抽样光线所在的直线方程与几何面参数方程,求得与积分球面的入射点Q0并进行取舍判断。若抵达接收器的光线数量达到了N条,则光线追迹结束。f(α,β,γ)决定了光源的特性,对于朗伯特光源,可以根据抽样光线方向向量(x0,y0,z0)以及几何面法线向量的余弦得到发光强度,如(3)式及(4)式所示;对于其他类型的光源,则根据其出射特性调整f(α,β,γ)的分布。

图2光线追迹流程图


    3 评估参数

    为得到趋于理想的均匀光,选取合适的参数对照度均匀度进行评估极为重要。通常U0、U1、U2以及Bias这4个指标被用来评估照度的均匀度,如(5)式所示:


    式中:Emax是照度的最大值;Emin是照度的最小值;Eav是照度的平均值;U0表示照度均匀度的均差;U1U2表示照度均匀度的极差,这3个参数值越接近1,表示光线分布得越均匀;Bias表示辐照度的最大相对偏差,其值越大,表示光线分布越不均匀。


    4 结果及分析

    基于图1所示的结构,对源类型、挡板位置、开口大小、光源数量等参数进行了优化,其他参数如表1所示。

表1 环形积分球参数表


参数

光源类型

理想光源

朗伯特光源

准直光源

积分球半径/mm

1500

1500

1500

朗伯反射率/%

98

98

98

光源尺寸大小/mm

-

1.6×0.8×0.3

3×3.8×3.7

积分球开口半径比/%

33.33

33.33

33.33

环形屏开口半径比/%

50

50

50

    4.1 光源类型及挡板位置对辐照均匀度的影响
    如图3中(a)所示为保持光源数量为4、遮挡屏开口比为50%时,环形遮挡屏在R五种位置的示意图;如图(b)所示是理想光源、朗伯特光源和准直光源3种不同类型光源在R1-R5五种挡板位置情况下的归一化辐照均匀度折线统计图,从中可以看出朗伯特光源的辐照均匀度可以超过0.96,而准直型光源的辐照均匀度在0.94左右波动,朗伯特光源较之准直光源辐照均匀度平均提高了2.32%;朗伯特光源的辐照均匀特性优于准直型光源,更为接近理想光源的辐照均匀度分布。因此,结合LED的实际结构与光照均匀性,积分球光源应优先选择朗伯特光源。当挡板位置接近积分球边缘(R1,R2)时,其对应的辐照均匀度略低于其他位置;而远离边缘一定距离后,挡板位置对辐照均匀度的影响较小。因此,挡板位置的选择需要距离边缘一定距离。


图3 光源类型及挡板位置对归一化辐照均匀度的影响

    4.2 积分球开口对辐照均匀度的影响
    图4是基于朗伯特光源、环形遮挡屏位于R5时,积分球开口大小对辐照均匀度的影响。图4(a)为在开口半径为积分球半径的30%时,探测面上平均辐照度的分布图,为排除出光口边缘对均匀度的影响,在半径为75%的圆形区域内对数据进行分析,得出平均辐照均匀度U0为0.975,最大相对偏差Bias为±2.47%。开口半径为积分球半径的70%时,平均辐照度由中心向四周衰减,且衰减明显,致使其均匀度大大低于图4(a)情况,其U0为0.8999,Bias为±10.7,如图4(b)所示。




图4 积分球开口对辐照均匀度的影响
    图5给出了开口半径与积分球半径比(d/1)从5%一直增大到70%的过程中,探测器接收到的辐照均匀度以及平均辐照度变化情况。如图5(a)所示,积分球开口过小或过大,其归一化之后的辐照均匀度都会变弱。图5(b)中,随着积分球开口不断变大,平均辐照度不断减小。故综合考虑辐射能量与照度均匀性两个因素,开口比定在30%~35%之间更为合适。


图5 开口大小
    4.3 光源数量对辐照均匀度的影响
    基于前述研究,选取朗伯特类型光源,选取挡板位置在积分球横截面(R5)处进行不同光源数量对归一化辐照均匀度的影响研究。图6给出在改变等间距分布的光源数量条件下测试平面的辐照均匀度的变化情况。当光源数量为4时,其平均辐照均匀度U0为0.9707,最大相对偏差Bias为±2.46%。当光源数量为16个时,对应的辐照均匀度U0为0.9621,最大相对偏差Bias为±3.38%。当光源数量按2、4、8、12、16个递增时,辐射能量也会随之增加,两者线性相关。


图6 光源数量对归一化辐照度的影响
    表2给出了不同光源数量情况下,积分球的归一化辐照均匀度的详细参数表,表中可以看出光源数量对积分球光源均匀度的影响较小,辐照的不均匀度(最大相对偏差Bias)随光源数量在2.46%~3.38%区间内波动。故除了调整LED的输出功率之外,还可以通过增加光源数量来提升系统的输出功率。
表2 不同光源数量下积分球平均辐照均匀度

光源数量

U0

U1

U2

最大相对偏差Bias/%

2

0.9707

0.9451

0.9436

±2.82

4

0.9707

0.9521

0.9511

±2.46

8

0.9604

0.9351

0.9334

±3.35

12

0.9671

0.9443

0.9429

±2.87

16

0.9621

0.9436

0.9327

±3.38

    5 结论
    设计了一个具有环形遮挡屏的积分球均匀光源,基于蒙特卡洛算法(MCM)分别对理想光源、朗伯特光源和准直光源这3种光源,5个不同挡板位置的情况,分别搭建模型;对积分球开口直径(d)占积分球直径(1)的比值(d/1)为5%、10%到70%等10种情况搭建模型;对2~16个不同光源数量情况搭建模型,并进行了数值模拟。
    结果显示:1)朗伯特光源较之准直型光源辐照均匀度平均提高2.32%。因此,积分球光源应优先选择朗伯特光源。2)在挡板位置接近积分球边缘时,其对应的辐照均匀度略低于其他位置。因此,挡板位置的选择需要距离内壁边缘一定距离。3)综合考虑辐射能量与照度均匀度两个因素,积分球开口比定在30%~35%区间内更为合适。4)辐射能量与光源数量成线性关系,且不均匀度随光源数量在2.46%~3.38%波动,故可以通过增加光源数量的方法提高系统功率。优化后的环形遮挡屏结构可以作为辐照均匀的光源,在光学仪器标定、医学成像等领域中有广阔的应用前景。