积分球光孔照度衰减的研究

1.积分球出光孔照度衰减的原因分析

当积分球机械结构制成后,可以在积分球非均匀照度区域开光源入射孔,用于光源光线的入射;可以在积分球内壁上均匀照度区域开出光孔,将积分球出光孔处的均匀照度的光用于点亮通电的微光像增强器;也可以在积分球内壁上均匀照度区域开一些小孔,可以用照度测试仪器对其内壁上所得照度进行实时监测。

积分球在实际的应用中,由于积分球内壁上需要上述的孔,使得理想积分球内壁完整性被破坏,导致积分球出光孔边缘的照度衰减。由于光源入射孔和照度监测孔一般很小,所以对积分球内壁照度的影响很小。而积分球出光孔相对较大,是影响积分球内壁照度的主要因素,这样就会使得积分球出光孔边缘的照度衰减,所以实际设计的积分球机械结构将无法应用在测试仪中,否则测试精确性无法被保证。传统机械结构优化方法无法解决该问题,需要寻求一种新的方法来对积分球孔径进行优化,保证所设计积分球机械结构的合理性,进而确保测试仪测试的精确性。

2.积分球出光孔照度衰减研究的作用

积分球出光孔照度衰减的研究可以使得在设计积分球出光孔孔径时,不是简单地和微光像增强器的阴极面大小相等就可以,而是应当把积分球出光孔的面积开得比微光像增强器的阴极面的面积略大,而又不能过大,因为过大会增大积分球出光孔边缘照度的衰减。所以积分球出光孔照度衰减的研究有助于定量地得出积分球出光孔面积的大小,实现积分球机械结构中出光孔径的优化,从而达到积分球机械结构的优化,使得微光像增强器得到均匀的微光光源,提高微光像增强器成像均匀性的测试精度。

积分球由于各种因素,使得出光孔的照度在一定直径范围内的照度是符合标准的,而大于这一直径的照度却有了衰减。通过研究推导,发现这种衰减现象和积分球的出光孔的半径大小r(等于微光像增强器阴极面的半径)以及积分球的半径大小R和漫反射层的反射比ρ有一定的量值关系。

3.积分球出光孔照度干扰因子FR提出原因

积分球上开的出光孔一般是最大的孔,而积分球上开的用于其他作用的孔尺寸较小,可以忽略不计。在积分球尺寸一定的情况下,积分球存在以下3种情况:

①出光孔的存在必然会导致积分球内表面漫反射层面积的减少,光源光线得不到理想中的漫反射次数;

②积分球内壁的漫反射涂层的反射比ρ变化也会影响积分球的漫反射性能;

③随着出光孔半径r的增大,照度衰减的现象也会严重。而且随着积分球半径R的增大,这种衰减又会得到一定程度的补偿,因为在出光孔大小一定的前提下,积分球漫反射面积增加,有利于提高出光孔照度的均匀性,进而可以降低出光孔照度的衰减。

4.出光孔照度干扰因子FR推导与分析

积分球相关尺寸如图1.55所示。

图1.55　积分球相关尺寸(www.xing528.com)

由于积分球出光孔使得漫反射层缺损的面积为

式中:S1为由于积分球出光孔使得漫反射层缺损的面积(m2);R为积分球的半径(m);r为积分球出光孔的半径(m)。

漫反射层缺损面积与理想漫反射层面积的比值为

积分球实际的漫反射层面积与理想漫反射层面积的比值为

因为积分球的出光孔照度很大程度上还和积分球内表层的喷涂的材料有关系,所以漫反射层的反射比也会对出光孔照度有影响。所以出光孔照度衰减干扰因子可以定义为

式中:FR为出光孔照度衰减干扰因子;ρ为漫反射层的反射比。

因为所要测试的各种型号的微光像增强器中,微光像增强器的阴极面最大直径为50mm,积分球的出光孔均匀未衰减的照度区域的直径取为51mm,即半径ru=25.5mm,这样既能保证作用于各种型号微光像增强器阴极面的光的照度均匀,又能保证积分球漫反射层面积尽量大,而且还能够降低后期测试仪设计安装调试的难度。所以用于多型号微光像增强器成像均匀性测试仪的积分球的实际出光孔的半径r可以由式(1.77)求出

式中:ru为积分球的出光孔均匀未衰减的照度区域的半径(m)。

测试仪的总体技术指标中规定用于测试仪的积分球的直径为300mm,即积分球的半径R=150mm。硫酸钡的反射比ρ约为0.85,在0.84～0.86范围内变化,要保证在以积分球出光孔中心为圆心的φ51mm的圆形区域内,出光的照度是均匀未衰减的,由式(1.77)计算出积分球的出光孔半径r为29.95～30.68mm,所以最终积分球出光孔的半径取为31mm,即积分球出光孔直径取为62mm。

积分球出光孔照度衰减干扰因子FR的提出可以对积分球出光孔照度的衰减进行定量的分析,计算出积分球出光孔的最小面积,从而使出光孔照度未衰减的区域满足实际应用,而不用凭经验随意定积分球的出光孔的尺寸,实现积分球机械结构的优化设计。