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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 |
|
|
0.9 |
0.77 |
0.63 |
0.58 |
0.58 |
0.61 |
0.69 |
0.80 |
0.93 |
0.95 |
0.97 |
0.97 |
0.99 |
|
|
1.0 |
0.58 |
0.52 |
0.51 |
0.52 |
0.57 |
0.66 |
0.77 |
0.92 |
0.94 |
0.96 |
0.97 |
0.99 |
|
分析表2和表3数据可知：1）对于实际积分球辐射光源，出口平面的照度均匀性均不是理想条件下的100%，最差时仅为58%（d/D=1.0）；2）当光电器件距积分球出口较近（L/D 0.5）时，受光面上照度均匀性比出口处差，受光面直径越大照度均匀性越差，最差值为51%（L/D-0.2.d/D=1）；3）当光电器件距积分球光源足够远（L/D>3）时，受光面上照度均匀性由差变好；若d/D≤0.5，则照度均匀性可优于99%。4）虽然两套积分球光源均有较高的辐亮度面均匀性，可以满足成像光电系统的标定测试要求，但如果直接用来测试CCD等光电器件而不仔细考虑器件测试位置，则会对光电器件测试精度产生较大影响。
3.2 照度均匀性分布规律
图7为光电器件受光面直径与积分球出口直接相等（d/D=1.0）时照度均匀性分布情况。
图7 照度均匀性分布规律
由图7可见，随着光电器件与积分球光源距离的增加，4条曲线均出现了先下降到极小值再上升的现象，据此现象可归纳出实际条件下光电器件受光面照度均匀性分布规律：
1）积分球辐射光源出口平面照度均匀性很差，并不是理想条件下的100%，不适合在出口进行光电器件的测试实验；
2）当光电器件距辐射光源足够远（3≤L/DC≤5）时，受光面照度均匀性优于97%，可在此距离内使用积分球辐射光源对光电器件进行测试实验。
4 应用举例
以应用在大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）上的科学级CCD为例，来说明如何合理使用积分球辐射源进行光电器件测试。该科学级CCD是由e2v公司生产的CCD203-82型，其特性参数如表4所示。
表4 CCD203-82特性参数
|
参量 |
数值 |
|
像素数量/像素 |
4096×4096 |
|
像素尺寸/μm |
12×12 |
|
成像面积尺寸/mm2 |
49.2×49.2 |
从表4可知，待测试CCD器件受光面直径d=49.2mm，若选用DIS70积分球光源，D=70mm，则d/D=0.7；若选用DIS180积分球光源，D=180mm，则d/D=0.3。若想在CCD器件受光面获得均匀性优于99%的照度场，查表2和表3可知：1）DIS70积分球光源只能在L/D=5的距离满足要求，即L=350mm；2）DIS180积分球光源在3≤L/D≤5的距离范围内均可满足要求，即540mm≤L≤900mm。可见使用开口直径比待测试光电器件直径大很多的积分球光源（d/D≤0.5）时，容易在多距离范围内获得均匀性优于99%的照度场，更有利于完成测试工作。
5 结论
针对CCD等焦面阵列光电器件测试要求，本文运用解析方法和蒙特卡罗方法分析了积分球辐射光源在光电器件受光面上照度均匀性的变化情况，并对两套不同积分球辐射光源进行了测试，得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。理论分析与实验数据表明，在使用积分球辐射光源进行CCD等焦面阵列光电器件测试时应该仔细考虑以下几点：
1）在实际条件下，积分球辐射光源出口平面照度均匀性较差，不适合在出口位置对光电器件进行测试实验，且积分球出口处温度较高，对器件测试精度也有影响；
2）合理使用积分球辐射光源的方法是待测试光电器件受光面直径d应小于积分球出口直径D一半，即d/D<0.5，光电器件和积分球出口之间的距离L与积分球出口直径D的比值在3至5之间，即3≤L/D≤5，这样更容易获得均匀性优于99%的照度场；
3）选取一个小开口的积分球辐射光源，例如DIS70，虽然开口面辐亮度均匀性较好，但不仅限制了被测试光电器件的大小，而且不易获得优良的均匀照度场；选取一个大开口的积分球辐射光源，例如DIS180，虽然开口处辐亮度面均匀性没有DIS70好，与理想朗伯光源有所差距，但可通过仔细调节光电器件与积分球开口的距离，获得均匀性优异的照度场。因此在光电器件测试工作中，积分球辐亮度面均匀性不是一个主要衡量指标，这一点与成像式光电系统，例如空间遥感相机的测试定标是不同的。
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