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积分球辐射光源照度均匀性研究
引言
积分球作为一种光学仪器在光度学与辐射度学等相关领域已经广泛使用近百年了。在众多研究应用中，积分球常作为均匀辐射光源来测试CCD或CMOS等焦面阵列光电器件。然而，由于积分球在实际制造安装过程中，积分球壳加工制造、内部挡屏几何位置、漫反射涂层实际厚度、内部光源几何位置等各种因素的影响，使得实际积分球辐射光源开口处照度均匀性很不理想。
1 理论分析
如图1所示，在测试空间遥感相机等成像光电系统时，需要积分球辐射光源提供一个均匀（辐）亮度场，以充满被测系统光学入瞳并在焦面阵列光电器件上成像，光电器件响应信号被采集到计算机中进行记录和整理。
图2 光电器件测试示意图
2.1 理想积分球辐射光源
图3 积分球辐射光源数值解析模型
图4 理想积分球辐射光源照度均匀性分布
2.2 非理想积分球辐射光源
数值解析方法的前提是假设积分球辐射光源为理想朗伯体，而在实际条件下，积分球辐射光源是非理想朗伯体。针对非理想条件下积分球辐射光源照度分布情况，我们采用基于蒙特卡罗（Monte Carlo）的光线追迹方法，对一出口辐亮度面均匀性94%的积分球辐射光源模型进行仿真。参考图3积分球解析模型建立图5所示非理想积分球辐射光源仿真模型。在光学软件TracePro中使用3.2×107条光线对仿真模型进行实验分析。
非理想积分球辐射光源仿真结果如图6所示。
图5 非理想积分球辐射光源仿真模型
3 实验与讨论
3.1 照度均匀性实验
对两套积分球辐射光源——DIS70和DIS180分别进行实验测试，积分球直径、出口直径、开口率和辐亮度面均匀性参数如表1所示。
积分球辐射光源照度均匀性测试方案为：把照度探测器固定在二维平移台上，选定平移台扫描平面与积分球出口平面距离L后，探测器在平移台扫描平面内以适当间隔进行网格状扫描。
采用此测试方案分别对积分球辐射光源DIS70、DIS180进行了实验测试，所得数据整理后列于表2和表3，D为积分球出口直径，d为光电器件受光面直径。
|
参量 |
积分球辐射光源 |
|
|
DIS180 |
DIS70 |
|
|
积分球直径/mm |
470 |
470 |
|
出口直径/mm |
70 |
180 |
|
开口率/% |
3.7 |
5.7 |
|
辐亮度面均匀性/% |
98.2 |
97.9 |
|
d/D |
照度均匀性UE |
|||||||||||
|
光电器件距离与出口直径比（L/D） |
||||||||||||
|
0.00 |
0.10 |
0.20 |
0.25 |
0.50 |
0.75 |
1.00 |
1.50 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
5.00 |
|
|
0.1 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.2 |
0.99 |
0.99 |
0.98 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.3 |
0.98 |
0.98 |
0.96 |
0.95 |
0.96 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
0.4 |
0.96 |
0.93 |
0.89 |
0.88 |
0.90 |
0.95 |
0.96 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
|
0.5 |
0.94 |
0.88 |
0.84 |
0.83 |
0.87 |
0.92 |
0.95 |
0.97 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
1.00 |
|
0.6 |
0.92 |
0.83 |
0.80 |
0.78 |
0.83 |
0.90 |
0.93 |
0.96 |
0.97 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
|
0.7 |
0.86 |
0.76 |
0.73 |
0.72 |
0.79 |
0.87 |
0.91 |
0.95 |
0.96 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
|
0.8 |
0.76 |
0.68 |
0.66 |
0.66 |
0.73 |
0.83 |
0.89 |
0.94 |
0.95 |
0.96 |
0.97 |
0.99 |
|
0.9 |
0.70 |
0.63 |
0.62 |
0.63 |
0.71 |
0.81 |
0.87 |
0.93 |
0.94 |
0.96 |
0.97 |
0.99 |
|
1.0 |
0.57 |
0.55 |
0.55 |
0.59 |
0.67 |
0.78 |
0.85 |
0.92 |
0.93 |
0.95 |
0.97 |
0.99 |
表3 DIS180照度均匀性测试结果
|
d/D |
照度均匀性UE |
||||||||||||
|
光电器件距离与出口直径比（L/D） |
|||||||||||||
|
0.00 |
0.10 |
0.20 |
0.25 |
0.50 |
0.75 |
1.00 |
1.50 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
5.00 |
|
|
|
0.1 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
|
0.2 |
1.00 |
0.99 |
0.98 |
0.98 |
0.97 |
0.97 |
0.98 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
|
0.3 |
1.00 |
0.99 |
0.96 |
0.96 |
0.94 |
0.94 |
0.97 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
|
0.4 |
0.99 |
0.97 |
0.93 |
0.92 |
0.90 |
0.91 |
0.94 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
1.00 |
|
|
0.5 |
0.99 |
0.95 |
0.89 |
0.88 |
0.84 |
0.86 |
0.92 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
1.00 |
|
|
0.6 |
0.98 |
0.90 |
0.82 |
0.81 |
0.78 |
0.82 |
0.88 |
0.97 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
1.00 |
|
|
0.7 |
0.93 |
0.81 |
0.73 |
0.72 |
0.71 |
0.76 |
0.85 |
0.95 |
0.96 |
0.98 |
0.98 |
0.99 |
|
|
0.8 |
0.87 |
0.73 |
0.65 |
0.65 |
0.66 |
0.73 |
0.82 |
0.94 |
0.95 |
0.97 |
0.98 |
0.99 |
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