超低亮度测量技术研究

孙宇楠，曹 锋，赵俊成，刘瑞星，王 乐，高 婧，杨 科

（西安应用光学研究所 国防科技工业光学一级计量站，陕西 西安 710065）

引言

光亮度是表征发光体的重要光度特征参数，即光源在垂直于其光传输方向的平面上的正投影单位表面积单位立体角内发出的光通量[1-5]。微弱光亮度是指在人眼视觉所需最低视场亮度水平以下的光亮度。现阶段的亮度计大多以硅光电池或光电倍增管为探测器，没有制冷系统，因此一般最低只能测到10-4cd/m2量级左右的亮度。随着国防科技工业的飞速发展，在空间天文探测、荧光探测、军用夜视侦察和微光技术等领域对弱光测量的要求越来越高，现有的亮度计不能满足星际深空探测及军事特殊探测对微弱光光源亮度准确测量的需求。为此，研制一种超低亮度计，使用高灵敏度光子计数型光电倍增管作为探测器，利用微弱光信号处理技术、非线性校准技术、制冷散热技术等实现超低亮度的自动测量，最低可实现10-6cd/m2量级亮度测量，可解决军用低照度夜视眼镜、微光像增强器、微光ICCD 相机等微光夜视型号装备、武器装备多用途显示系统、军用特种光源、夜战环境微弱光辐射目标、液晶LCD、LED 显示器、发光材料等的性能评估测试和校准问题，同时可广泛应用于电光源、科研教学、冶金建筑、工业检测以及光照控制等民用领域。

1 成像式亮度计工作原理

成像式亮度计的一般工作原理如图1 所示。

图 1 成像式亮度计工作原理Fig.1 Schematic of imaging brightness meter

根据图1，利用光度学和几何学原理，可推出：

式中：E为成像面上的照度；L为发光面上的亮度；τ为光学系统的透过率；f为透镜焦距；l为透镜与发光面的距离；fm为系统相对孔径数，fm=f/D，其中D为孔径直径。

当f/l小到可以忽略不计，在一定的误差范围内，(1-f/l)2近似等于1，（1）式可简化为

（2）式即为成像式亮度计的基本公式[5-8]。

2 超低亮度计组成及工作原理

超低亮度计由瞄准目镜系统、变焦物镜系统、多视场反射镜及其驱动系统、衰减片转轮、视觉函数V(λ)校正滤光片、光电倍增管(PMT)及其制冷系统、信号放大处理模块、嵌入式信号处理系统、触摸屏等组成，组成及工作原理如图2 所示。

图 2 超低亮度计组成及工作原理图Fig.2 Composition and working principle of ultra-low brightness meter

待测光源发出的光透过变焦物镜镜头会聚到多视场反射镜后，分为2 路：一路经目镜瞄准系统入射到人眼，用以瞄准目标、调节光路；另一路穿过多视场反射镜透过衰减片转轮、视觉函数校正滤光片入射到光电倍增管光阴极面上。入射到光电倍增管光阴极面上的待测光源光辐射转换为电信号，由放大电路放大后，经嵌入式信号处理系统处理，得到待测光源亮度参数，并在显示屏上显示[9-11]。

3 超低亮度计解决的技术难题

3.1 微弱光信号处理技术

超低亮度的测量对信噪比要求很高。如果噪声较高，光子计数级的测量信号将被淹没。因此，提高信噪比是测量超低亮度的前提条件。为了降低噪声，首先对其电源进行降低纹波处理；其次，研制信号处理电路对光电倍增管输出信号进行处理，信号处理具有降低噪声放大与抗混叠低通滤波功能；第三，在微弱光信号情况下，对于硬件处理后的数字电压信号，进行软件数字滤波，削减电路噪声；在结构总体设计上采用多种方法进行电磁屏蔽，保证超低亮度采样信号的高信噪比。

3.2 非线性校正技术

超低亮度计可实现（10-6～105）cd/m2量级亮度的测量，大量程范围的测量需设计4 档放大电路对应103～109量级的增益。在某一档位中，选取标准亮度源2 个亮度值L1、L2，分别记录超低亮度计对应的电压输出值u1、u2，可获得亮度与输出电压关系的线性方程：

式中：L1和L2为标准亮度源输出亮度值；u1和u2分别为标准亮度源输出亮度值L1和L2对应超低亮度计的电压输出值。

从而得到该档放大电路的修正系数k1和b1，同理可得其余每档放大电路的修正系数（k2、b2）、（k3、b3）和（k4、b4）。将4 档放大电路的修正情况汇总，每一档放大电路的满电压均为5 V，形成非线性校正示意图，如图3 所示。由此建立起探测器每一档放大电路中不同亮度与不同输出电压之间的对应关系，完成对4 档放大电路信号的修正，实现测量信号的非线性特征校正，提高不同亮度的测量精度，保证测量稳定性、线性度。

图 3 非线性校正示意图Fig.3 Schematic of nonlinear correction

3.3 制冷散热技术

超低亮度计使用的探测器为光子计数级光电倍增管，需进行-20 ℃制冷。要实现对微弱光信号高精度、大动态范围的测量，需要解决光电倍增管的高精度制冷、密封、散热等技术问题。

3.3.1 高精度制冷

光电倍增管温控系统包括PMT、驱动电路、温度传感器、温控器件（TEC），当温度传感器检测PMT 及其驱动电路周围的环境温度高于-19.95 ℃时，启动TEC 制冷；PMT 工作一段时间后，会使环境温度升高，当温度传感器检测PMT 及其驱动电路周围的环境温度低于-20.05 ℃时，停止制冷，实现PMT 高精度制冷，确保PMT 一直在-20 ℃条件下工作，提高其信噪比，实现极弱信号的精准探测。

3.3.2 制冷腔体密封

制冷腔体密封包括前舱密封和后舱密封，前舱负责隔热除霜，后舱负责制冷散热，制冷腔体密封方案如图4 所示。窗口玻璃和视觉函数V(λ)校正滤光片分别安装在前舱的两端，用硅橡胶密封，中间形成真空区域。前舱壁上安装气嘴用于抽真空；后舱与前舱用螺钉连接，后舱与PMT 探测器用导热环支撑，导热环位于光敏面位置处，用于传导热量。后舱与探测器的空隙用保温棉填充形成保温层，实现绝热保温。

图 4 制冷腔体密封方案示意图Fig.4 Schematic of refrigeration chamber sealing scheme

3.3.3 TEC 散热

TEC 的散热方案如图5 所示，主要包括后舱、导热环、TEC 和散热头。TEC 消耗电能将热量从一侧移至另一侧，达到制冷目的。制冷舱上下表面各放置2 块TEC，2 块TEC 冷端和热端串联起来，形成2 级制冷系统，实现探测器光敏面-20 ℃的制冷。同时，为降低TEC 负载，采用水循环散热，在TEC 热端设置水冷片，水冷片内有S 形水道，增大散热面积，分别用橡胶管连接水冷片的入水口和壳体上的水嘴、出水口与壳体上的水嘴，入水口连接水泵，将水泵置于仪器壳体外部的水容器中，出水口与水容器连接，将热能传送到仪器壳体外部，实现TEC 散热。

图 5 TEC 散热方案示意图Fig.5 Schematic of TEC heat dissipation scheme

在室温25.6 ℃条件下，使用2 片TEC，目标温度设置为-20 ℃，水温设定为10 ℃，利用10 ℃恒温水循环10 min，得到PMT 制冷系统制冷实验数据，如表1 所示。

实验数据表明，制冷散热方案完全能够满足PMT -20 ℃±0.05 ℃高精度制冷需求，可有效降低PMT 工作噪声，保证超低亮度的测量精度。

表 1 PMT 制冷方案温控原理实验数据Table 1 Experimental data of temperature control principle of PMT refrigeration scheme

4 实验结果与分析

4.1 亮度实验结果

使用光谱范围为380 nm～780 nm、出光口亮度均匀性优于98%、电源稳定性为1‰的高稳定输出双积分球均匀光源系统作为标准亮度源，该亮度源内壁使用聚四氟乙烯喷涂，在光谱范围内每个波长点反射率均达到98%，利用2 组可更换变径光阑的组合搭配，在不改变光源光谱特征的条件下改变积分球出光口亮度，实现一系列稳定的亮度输出，亮度源稳定性达到2‰。将超低亮度计安装在二维平移台或三脚架上，使超低亮度计的测光轴线与标准亮度源出光面垂直，超低亮度计对准标准亮度源出光口中心，进行亮度测量实验，如图6 所示。

图 6 超低亮度计测量亮度源示意图Fig.6 Schematic of measuring luminance source by ultralow brightness meter

超低亮度计亮度实验结果如表2 所示。

表 2 超低亮度计亮度实验结果Table 2 Brightness experimental results of ultra-low brightness meter

4.2 亮度实验结果比较

超低亮度计对标准亮度源的亮度测量实验结果与标准亮度值进行比较，标准亮度值为3.549×10-6cd/m2，亮度测量平均值为3.684×10-6cd/m2，相对示值误差为-3.8%，表明超低亮度计亮度测量结果与标准亮度值一致性较好。

4.3 超低亮度计测量不确定度评估

4.3.1 数学模型

成像型亮度计的数学模型为公式（2）。

4.3.2 测量不确定度来源

1）透镜焦距引入的不确定度分量u1

2）成像面上的照度引入的不确定度分量u2

3）光学系统的透过率引入的不确定度分量u3

4）透镜与发光面的距离引入的不确定度分量u4

5）孔径直径引入的不确定度分量u5

6）测量重复性引入的不确定度分量u6。

4.3.3 测量不确定度分量的评定

1）透镜焦距引入的不确定度分量u1

透镜焦距由通用光学测试仪测量，计量技术机构给出其扩展不确定度Urel=0.1%（k=2），按B 类不确定度评定，则u1=0.1%/2=0.05%；

2）成像面上的照度引入的不确定度分量u2

成像面上的照度由微弱光照度计测量，计量技术机构给出其扩展不确定度Urel=4.0%（k=2），按B 类不确定度评定，则u2=4.0%/2=2.0%；

3）光学系统的透过率引入的不确定度分量u3

光学系统的透过率由照度计测量，计量技术机构给出其扩展不确定度Urel=2.0%（k=2），按B 类不确定度评定，则u3=2.0%/2=1.0%；

4）透镜与发光面的距离引入的不确定度分量u4

透镜与发光面的距离由钢卷尺测量，计量技术机构给出符合二级的检定结论，其示值最大允许误差为Δ=± 0.3 mm，按B 类不确定度评定，当透镜与发光面的距离为350 mm 时，100%=0.1%；

5）孔径直径引入的不确定度分量u5

孔径直径由测量显微镜测量，计量技术机构给出其扩展不确定度为U=1.5 μm（k=2），按B 类不确定度评定，光度计最小视场角（1/8）°对应的小孔直径为0.175 mm 时，u5=1.5/(2×175)×100%=0.5%；

6）测量重复性引入的不确定度分量u6

超低亮度计设有4 档放大电路，分别对应不同亮度的信号。强光信号大，对应放大倍数较小的放大电路；弱光信号小，对应放大倍数较大的放大电路。放大倍数越大,亮度测量重复性相对越差，即测量重复性引入的不确定度分量越大。我们对超低亮度计测量重复性引入的不确定度分量相对最大的10-6cd/m2量级亮度测量结果进行分析，10 次亮度测量结果如表2 所示。10 次测量结果的相对实验标准偏差为2.65%，则测量重复性引入的标准不确定度为：

4.3.4 相对合成标准不确定度

超低亮度计测量不确定度分析如表3 所示。

表 3 超低亮度计测量不确定度一览表Table 3 List of ultra-low brightness photometer measurement uncertainties

相对合成不确定度：

由于各分量不相关，所以：

4.3.5 相对扩展不确定度

要求置信水平为95%，取k=2，可得相对扩展不确定度为：Urel=kuc=5%[12-15]。

5 结论

利用微弱光信号处理技术、非线性校准技术、制冷散热技术等设计了超低亮度计，使用积分球标准亮度源对超低亮度计进行标定，仪器测量不确定度达到5%。该仪器可适用于实验室和现场等测试场所，为微光夜视装备、显示系统、特种光源、发光材料等的性能评估测试和校准提供计量保障，具有广泛的使用价值。