一种亮度可调积分球光源及其应用技术研究

王少水，赵发财，孙权社

（中国电子科技集团公司 第四十一研究所，山东 青岛 266555）

引言

在遥感数据定量应用中，遥感仪器的光谱辐射响应函数是影响定量产品反演算法、精度和获取的地球物理量特征的关键因素之一，也是影响空间光学相机辐射定标准确度的主要因素[1-3]。目前国内对定标装置中的大口径积分球光源检测用辐亮度计的光谱辐射响应函数校准采用辐照度标准灯和漫反射白板的方法，这种方法动态范围小而无法满足光谱辐射计大动态线性校准的需求[4-5]。

积分球光源具有良好的面发光均匀性、郎伯特性等，广泛应用于光辐射测量和遥感科学领域[6-13]。在利用积分球光源校准光谱辐射计大动态范围线性时，需要提高积分球光源输出亮度的调节范围，可采用功率调节、出射光阑孔调节、灯的数量控制等方法来实现。

本文设计并研制了一种通过可变空间光阑组实现不同等级辐亮度输出的积分球光源，直径为500 mm，出光口直径为50 mm，内壁喷涂硫酸钡涂料，配有6 只150 W 的卤钨灯，通过固定光阑、可变光阑以及挡板提高输出辐亮度的重复性和稳定性。利用积分球光源对遮光筒式辐亮度计的光谱辐射响应函数进行了测试，实验结果表明基于陷阱探测器的遮光筒式辐亮度计在大动态测试范围内具有很好的线性。

1 高精度亮度可调积分球光源设计

1.1 机械结构设计

积分球光源的出光孔开在半球的正中间，采用6 只A 光源发光，位于积分球出光口一侧，其中1 个光源位于中间，另5 个光源均匀分布并与出光口处的光轴成45°角，每个光源都先经过透镜聚光，进入积分球，在2 个半球的中间使用一个F4 涂层的大挡光板，使6 个光源的光投射到挡光板上进行反射，避免光直接从出光口处射出。这样的设计可以使光在积分球内经过多次的反射，使光分布更均匀，如图1 所示（图中单位：mm)。

图 1 积分球体结构示意图Fig. 1 Structure sketch map of integrating sphere

1.2 光源选择

由于卤钨灯的相对光谱功率分布与完全辐射体更加接近，在紫外部分的辐射比常用的钨丝灯强，工作在色温为2 856 K 的卤钨灯可作为实用的标准A 光源使用，所以本文采用卤钨灯作为发光源，不仅具有良好的稳定性，而且寿命较长，光源自带反光罩，增加光能。因卤钨灯发热量大，为确保灯的使用寿命，在光源后配置风冷系统进行散热。风冷系统及光源、透镜、光阑等组件都安装在机箱内，机箱顶部有2 个轴流风扇与外界进行热交换，保证整个系统通风。

1.3 工作模式设计

为保证光源的稳定性，每一个光源都通过高精度的程控稳压电源供电，以实现对光源的精确控制。由于灯的电阻可能会发生变化，使得控制电流不变的时候灯的发射光通量不一致，因此在积分球上出光孔同侧开一个光能测量孔，配照度计对光源进行监控，可根据照度计得到的数据对灯的电流进行微调，保证积分球光源的稳定性。照度计的探头采用恒温探头以确保数据准确性。另外在出光孔同侧配有一个光纤接口，方便接入光谱仪，进行光谱测量。

为实现不同等级辐亮度的输出，1#光源配置连续可调光阑，2#和3#光源配置固定光阑孔转盘，4#、5#和6#光源配置挡光板。使用时，6 只光源同时开启，经过预热达到稳定状态，然后通过光阑和挡板的组合输出不同等级的辐亮度信号。

2 遮光筒式辐亮度计设计

传递辐射计是实现卫星遥感仪器在轨光谱辐射定标传递的核心设备，也是地面实验室高精度光谱定标系统的关键[14-15]。遮光筒式辐亮度计是一种典型的传递辐射计，由陷阱探测器和光阑组成，要实现绝对辐亮度的测量关键在于选用高精度的光电探测器实现辐射通量的精确测量以及设计一个能限制入射孔径和立体角的光学系统。

2.1 探测器设计

本文选用3 片反射式陷阱探测器（Trap）作为光电转换元件，Trap 中光电二极管光敏面在垂直于光轴的平面上的投影如图2 所示(图中单位：mm)，入射光束在光敏面上的最大直径应小于8.08 mm（图中的大圆）。在实际应用时，考虑到机械调整的误差和光敏面边缘响应的非均匀性，光束直径应取5 mm～6 mm。图中阴影代表直径5 mm 的光束。在基于Trap 的辐亮度探测器设计中，将保证任何情况下，入射光束在光敏面上的截面尺度小于6 mm。

图 2 Trap 中光电二极管光敏面投影Fig. 2 Photosensitive plane projection of photodiodes in Trap

2.2 孔径光阑、视场光阑及其间距的确定

辐亮度L 定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积dA·cosθ，单位立体角dΩ 内发出的辐射通量dΦ，即

要实现绝对辐亮度的测量关键在于选用高精度的光电探测器实现辐射通量的精确测量以及设计一个能限制入射孔径和立体角的光学系统，并对该入射孔径和立体角进行精确测量。基于以上分析，设计的辐亮度计的光路结构如图3 所示。应使得探测器的任意点的照度相同，即任何点处的dΩcosθ 均有相同的值，设计时应该取 2a ≪H，2b ≪H。只要通过探测器测量得到辐射通量，可根据公式（1）就能得出光源的辐亮度L。

图 3 辐亮度探测器的几何光学原理图Fig. 3 Geometric optical schematic diagram of radiance detector

孔径光阑中心点看视场光阑开口所张平面角为2θ 时，对应的立体角Ω 为

当 2a ≪H， 2b ≪H均满足时，公式（2）对孔径光阑面内的任何点都成立，公式（2）即为辐亮度探测器的立体角。

为了保证入射光束完全经过陷阱探测器每一光敏面内，同时保证在测量过程中避免视场内目标表面的局部非均匀性影响测量结果，综合考虑到便于加工和测量以及外观体积的要求，确定辐亮度计光学几何参数如表1 所示。

表 1 辐亮度探测器的光学几何参数Table 1 Optical geometric parameters of radiance detector

实际应用过程中，为了减少空间杂散光的影响，在光阑筒内部设计多组消杂光光阑，其光学结构示意图如图4 所示。

图 4 亮度筒光学系统结构示意图Fig. 4 Structure diagram of brightness barrel optical system

3 亮度可调积分球光源性能测试

3.1 光谱曲线测试

积分球光源采用卤钨灯作为发光源，理论上在250 nm～2 500 nm 均 有 辐 射，本 次 实 验 采用PHOTO RESEARCH 公司的PR-745 型号光谱辐射计进行测试，测试波长范围380 nm～1 080 nm，测量精度为±2%，积分球光源的光谱辐亮度曲线如图5 所示。

图 5 积分球光源光谱辐亮度曲线Fig. 5 Spectral radiance curve of integral sphere light source

3.2 辐亮度测量范围及重复性测试

通过软件控制积分球光源的光阑，使其输出不同等级的辐亮度，利用PR745 在积分球出口测量380 nm～1 080 nm 范围内的辐亮度，测得最大值和最小值分别为2.115 E+02 W/（m2·Sr·）和1.957 E-02 W/（m2·Sr·），输出范围达到4 个数量级，大的动态范围可为辐亮度计的光谱响应函数的评价提供有力保障。

为验证不同档位输出辐亮度的重复性，控制光阑孔使输出辐亮度从大到小重复7 次，结果表明每个档位的输出值在千分位变化，具有很好的输出重复性。

4 亮度筒光谱响应函数测试

光谱辐射响应函数是指在一定波长范围内，遥感仪器输出信号S 与入瞳处辐亮度L 的函数关系，可以展开为泰勒级数如公式（3）所示:

式中：S0为遥感仪器或光辐射测量仪器的暗信号输出； R1为遥感仪器（或光辐射测量仪器）的线性光谱辐射响应系数，通常称为绝对光谱辐射响应度；R2,···,Rn为二次及以上的高次辐射响应系数。

利用积分球光源对基于陷阱探测器的亮度筒进行测试，光谱响应函数的测试结果如表2 所示。二次项系数已趋于0，可认为亮度筒输出信号与输入辐亮度具有很好的线性关系。同时，也验证了本文设计的积分球光源可以很好地应用于辐亮度计的光谱响应函数的评价。

表 2 亮度筒光谱响应函数测试结果Table 2 Spectral response function test results of brightness tube

5 结论

设计并研制了一种亮度可调的积分球光源，通过固定光阑、可变光阑和挡板组合控制输出不同等级的辐亮度信号，可以输出（0.02～200）W/（m2·Sr）在（380 nm～1 080 nm）范围的辐亮度，动态范围达到4 个数量级。同时，本文设计了一款基于陷阱探测器的遮光筒式辐亮度计，利用积分球光源对其光谱响应函数进行了测试分析，结果表明，遮光筒式辐亮度计在大动态范围内具有很好的线性，后期将研究基于陷阱探测辐亮度计的量值溯源方法，将辐亮度计参数指标溯源至低温辐射计。