CN104215956A - 一种提供高亮度积分球定标光源的系统 - Google Patents

Abstract

一种提供高亮度积分球定标光源的系统涉及遥感科学和光辐射测量领域，其包括光源、光源座、积分球和冷却系统，冷却系统包括水箱、循环管路、冷却管路和循环泵；光源座通过积分球上的光源座安装孔用顶丝固定在积分球上，积分球的开口比不大于0.5％；循环管路的进出水端置于水箱内，冷却管路置于积分球的球壳内且布满整个球壳，冷却管路的进出口由积分球上的循环水进出水口进出，冷却管路通过循环管路分别与水箱、循环泵连通，循环泵通过循环管路与水箱连通。本发明利用不同的内置光源及小开口比积分球，来得到所需要的高辐射亮度值的定标光源，避免了建造超大积分球光源应对大口径空间光学载荷的实验室辐射定标；该系统结构紧凑，操作方便简单。

Description

一种提供高亮度积分球定标光源的系统

技术领域

本发明涉及遥感科学和光辐射测量领域，具体涉及一种提供高亮度积分球定标光源的系统。

背景技术

辐射定标作为定量评价遥感器的辐射响应性能和校正遥感图像数据产品的有效手段，受到遥感器研制单位和应用部门的高度重视。积分球光源是理想的匀光器具有良好的面发光均匀性、朗伯特性，到目前为止仍然是国内外普遍采用的实验室辐射定标和测试光源。但是随着空间光学载荷有效通光口径的不断增大，常规积分球定标光源的直径和开口尺寸需要随之加大才能满足积分球光源与被定标光学有效载荷之间端对端、充满孔径、充满视场的要求，来实现全光路、全口径和全视场的定标要求。但是积分球内置光源功率随着积分球内径的增大成几何级数增长，这样势必会使得积分球功耗增大，最终使得待定标遥感器周围环境温度场分布呈现瞬态和稳态的温度分布，这些瞬态和稳态的温度分布都会影响待定标遥感器光学系统的成像质量，最终直接影响遥感器辐射定标的定标精度。建造大直径、大出光口的常规积分球进行空间光学有效载荷的实验室辐射定标已无法满足未来需求，研究可替代大口径积分球光源的定标光源来实现超大口径空间光学载荷的实验室辐射定标具有现实意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的建造大直径、大出光口的常规积分球进行空间光学有效载荷的实验室辐射定标已无法满足未来需求的技术问题，本发明提供一种提供高亮度积分球定标光源的系统。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种提供高亮度积分球定标光源的系统，包括光源、光源座、积分球和冷却系统，冷却系统包括水箱、循环管路、冷却管路和循环泵；光源座通过积分球上的光源座安装孔用顶丝固定在积分球上，积分球的开口比不大于0.5％；循环管路的进出水端置于水箱内，冷却管路置于积分球的球壳内且布满整个球壳，冷却管路的进出口由积分球上的循环水进出水口进出，冷却管路通过循环管路分别与水箱、循环泵连通，循环泵通过循环管路与水箱连通。

本发明使用小开口比积分球，配合大功率出射辐射亮度值的光源，利用琼斯法来实现对超大口径光学载荷的高亮度均匀照明。

下面为使用琼斯法与扩展面源对积分球出光口辐射亮度的计算方法：

使用扩展面源对光学载荷焦面处辐射照度计算如下：焦面处辐射照度与入瞳辐射亮度之间的关系为：

$E=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·{\left(\frac{D}{f}\right)}^2\·L_s\·\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

式中：E为焦面处辐射照度；D/f为相机光学系统相对孔径；L_s为扩展面光源的辐亮度；τ为相机光学系统总透过率。

近距离小面源(琼斯法)和面光源是在探测器接收均匀且同样大小辐照度的意义上等效的。由此得到采用琼斯法和扩展面源定标时的入瞳辐射亮度之间关系为：

$L_s=L\·\frac{A_c}{A_p}---\left(2\right)$

式中：L和A_c分别是标定光源的辐亮度和有效发光面积；Ω＝A_s/f²，A_s是探测器的面积；f是光学仪器的焦距，A_p是光学仪器的入瞳面积。

等效为小面源定标时的入瞳辐射亮度为：

$L=L_s\·\frac{A_p}{A_c}=\frac{4E}{\mathrm{\π}\·\mathrm{\τ}}\·{\left(\frac{f}{D}\right)}^2\·\frac{A_p}{A_c}---\left(3\right)$

从公式(3)可以看出，基于琼斯法的高亮度定标光源实际是辐亮度增加了A_p/A_c倍的面光源。还可以看出，使用琼斯法对大口径空间光学遥感器辐射定标时，积分球出光口需要高辐射亮度来满足入瞳辐射亮度的需求。

本发明的工作原理：利用小开口比积分球，通过电源驱动内置溴钨灯光源，在积分球出光口获得较高的出射辐射亮度值。

根据积分球方程，积分球开口处亮度公式为：

式中：

Φ—积分球入射辐射通量，即积分球内部光源的辐射通量；

A_S—直径为D的积分球内表面面积，A_S＝π·D²；

ρ—积分球内表面涂层的反射率；

f—积分球开口比，

ΣA_i—积分球开口的总面积；

M—积分球的放大倍率，

从积分球方程可以看出，L与Φ成正比，与f成反比。出光口要得到高的辐射亮度L，需要高的积分球入射辐射通量Φ，及小的开口比f(f不大于0.5％)。

本发明的有益效果是：该系统利用不同的内置光源及小开口比积分球，来得到所需要的高辐射亮度值的定标光源，避免了建造超大积分球光源应对大口径空间光学载荷的实验室辐射定标；该系统结构紧凑，操作方便简单。

附图说明

图1是本发明提供高亮度积分球定标光源的系统结构示意图；

图2是本发明提供高亮度积分球定标光源的系统另一视角结构示意图；

图3是本发明中积分球内置的冷却管路示意图；

图4是本发明中冷却系统的水循环示意图；

图5是本发明中光源和光源座的结构示意图；

图6是本发明中光源和光源座另一视角结构示意图；

图7是本发明中积分球的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1至图7所示，本发明的提供高亮度积分球定标光源的系统包括光源、光源座1、积分球2和冷却系统3；冷却系统3包括水箱4、循环管路5、冷却管路6和循环泵7。光源座1通过积分球2上的光源座安装孔用顶丝固定在积分球2上，积分球2的开口比不大于0.5％；循环管路5的进出水端置于水箱4内，冷却管路6置于积分球2的球壳内且布满整个球壳，冷却管路6的进出口由积分球2上的循环水进出水口17进出，冷却管路6通过循环管路5分别与水箱4、循环泵7连通，循环泵7通过循环管路5与水箱4连通；循环管路5通过锁环分别连接到冷却管路6、循环泵7上。

光源为溴钨灯8，光源座1包括盘头螺钉9(规格M3×15)、挡光板10、灯座11、灯座底板12、沉头十字螺钉13(规格M3×6)、螺钉14、固定板15和灯座固定套16；溴钨灯8直接插接至灯座11的固定孔内，灯座11通过盘头螺钉9固定在灯座底板12上，灯座底板12通过螺钉14固定在固定板15上，挡光板10通过螺钉固定在固定板15上；固定板15通过沉头十字螺钉13固定在灯座固定套16上。

积分球2包括循环水进出水口17、前球18、后球19和型材架20；循环水进出水口17焊接至前球18与后球19的球壳上，并与前球18、后球19在结构上形成一体；前球18通过定位直口放置在后球19的定位端面上，并通过螺钉与后球19固连；后球19通过螺钉固定在型材架20上。

实施例：溴钨灯8采用欧司朗公司提供的Halogen250W；积分球2中的型材架20采用长春市富迪机械有限责任公司的FD30×30-4FM、FD-J30A拼装而成；冷却系统3中的循环管路5采用奥瑞驰四分水管；冷却系统3中的循环泵7采用藤原微电脑128w。

根据积分球方程，积分球开口处亮度公式为：

式中：

Φ—积分球入射辐射通量，即积分球内部光源的辐射通量；

A_S—直径为D的积分球内表面面积，A_S＝π·D²；

ρ—积分球内表面涂层的反射率；

f—积分球开口比，

ΣA_i—积分球开口的总面积；

M—积分球的放大倍率，

积分球辐射方程中的放大倍率M与积分球的开口面积和内表面反射率相关，积分球内表面反射率越接近于1，开口面积越小，积分球放大倍率M就越大，积分球输出辐射也就越强。

式中：ρ为内表面涂层反射率，ρ＝0.97；D为积分球开口直径，D＝25mm；Φ为积分球内表面直径，Φ＝200mm，A_s为积分球内表面面积,400～900nm波段内溴钨灯8的发光效率为10％，4只250W溴钨灯内置光源。积分球开口比f为0.39％，八根积分球球体内水管均布整个球体表面。溴钨灯8采用恒流驱动方式，10A的驱动电流由安捷伦直流电源和LM317三端稳压模块提供。积分球放大倍率M为：

$M=\frac{\mathrm{\ρ}(1-f)}{1-\mathrm{\ρ}(1-f)}=\frac{0.97\×(1-\frac{3.14\×{12.5}^2}{4\×3.14\×{100}^2})}{1-0.97\×(1-\frac{3.14\×{12.5}^2}{4\×3.14\×{100}^2})}=28.6$

$L=\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\π}\·A_s}\·\frac{\mathrm{\ρ}\·(1-f)}{1-\mathrm{\ρ}\·(1-f)}=\frac{100}{3.14\×3.14\×0.2\×0.2}\×28.6=7251.8W/(m^2\·\mathrm{Sr}).$

Claims (4)

1.一种提供高亮度积分球定标光源的系统，包括光源、光源座(1)和积分球(2)，其特征在于，该系统还包括冷却系统(3)，冷却系统(3)包括水箱(4)、循环管路(5)、冷却管路(6)和循环泵(7)；光源座(1)通过积分球(2)上的光源座安装孔用顶丝固定在积分球(2)上，积分球(2)的开口比不大于0.5％；循环管路(5)的进出水端置于水箱(4)内，冷却管路(6)置于积分球(2)的球壳内且布满整个球壳，冷却管路(6)的进出口由积分球(2)上的循环水进出水口(17)进出，冷却管路(6)通过循环管路(5)分别与水箱(4)、循环泵(7)连通，循环泵(7)通过循环管路(5)与水箱(4)连通。

2.如权利要求1所述的一种提供高亮度积分球定标光源的系统，其特征在于，所述光源为溴钨灯。

3.如权利要求1所述的一种提供高亮度积分球定标光源的系统，其特征在于，所述光源座(1)包括盘头螺钉(9)、挡光板(10)、灯座(11)、灯座底板(12)、沉头十字螺钉(13)、螺钉(14)、固定板(15)和灯座固定套(16)，灯座(11)通过盘头螺钉(9)固定在灯座底板(12)上，灯座底板(12)通过螺钉(14)固定在固定板(15)上，挡光板(10)通过螺钉固定在固定板(15)上；固定板(15)通过沉头十字螺钉(13)固定在灯座固定套(16)上。

4.如权利要求1所述的一种提供高亮度积分球定标光源的系统，其特征在于，所述积分球(2)包括循环水进出水口(17)、前球(18)、后球(19)和型材架(20)，循环水进出水口(17)焊接至前球(18)与后球(19)的球壳上，并与前球(18)、后球(19)在结构上形成一体；前球(18)通过定位直口放置在后球(19)的定位端面上，并通过螺钉与后球(19)固连；后球(19)通过螺钉固定在型材架(20)上。