单色面阵光源设计

1、单色面阵光源设计 ， ， ， 刘红元 王恒飞 应承平 吴斌 （中国电子科技集团公司第四十一研究所 ，山东 青岛 ） ： “ 积分球 ” 、 、 该光源 采 摘 要 提出并研究了一种 单色仪 为主体设计的单色 大面积 高均匀性辐射光源 用四套单色仪 ，在每台单色仪输出口进行会 聚 ，通过大芯 径光纤束 将单色光从不同的方 向（对称状）注入 到积分球中 相比于传统 采用一台单色仪 ， 功率和积分球输出面的均匀性 ， 该光源提高了积分球的输出 并通过实验对积分球输出波长 、 结果表明 ： ， 输出 功率及输出口均匀性进行了测量 在积分球输出口面上 在输出波长范围 ， ， ， 内 波长 准确度可以达到

2、 输出 功率最 小可以 达到 输出 面均匀性比传统设计也提高了 ： ； ； ； ； ； ； ； 关键词 光学设计 面阵光源 高均匀性 对称法 单色仪 积分球 光纤束 成像器件 中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ： （ ） ， ， ， （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， ： ； ； ； ； ； ； ； ： ； ； 在这种情况下 就会产生积分球的输出口 ， 引言 光不均匀 一 般会使积分球 光输入的一侧光强较 ， 大另一侧光强较 单色分析法作为一种重要的分析手段，在科研、生 弱 但如果采用 多台单色仪输出口直接对 这积分球光 、 源的入口处 ， ， 用无论是穿透吸收 光源和单色仪等设备

3、又不好摆放 很难 满 产 质控等方面都发挥着极大的作 光谱 ，还是荧光 光谱、喇曼光谱，获得单波长辐射是不 足目前大面阵成像器件的测试需求 可缺少的手 段 ， 随着现代技术的发展大面阵成像 “ ” 本文提出了基于 积分球 单色仪 为主体研制单 器件 已成为一种 发展方向，但是在生产和使用中，还没 、 、 色大面阵高均匀性辐射光源采用四套单色仪组 有 类似的单色面阵光源来满足大面 阵成像器件的测量 成 ， ， 在每台单色仪输出口进行会 聚 通过大芯径光 需求 对于单色面阵光源的研究大多采用单个光 纤束将单 色光从不同的方向 （ ） 对 称 状 注入到积分球 ， 源 而且单色仪输出口直接对这积分球

4、光源的入口处 ， 、 中 并通过实验对积分球输出的波长示值 输出功率及 基金项目 ： （ ） “ ” （ ） 国家重点基金 和十二五 计量技术基础科研项目 资 助 第 一 作者 ：刘 红 元（ ），男，工程 师 ，主要 研究 方向 为 红外 探测 器校 准 ： 收稿日期 ： ； ： 录用 日 期 ： 光子学报 输出口均匀性进行了测量 基本原理 目前大面阵成像器件的发展无法满足当前成像器 件的测试需求 本文基于目前面阵光源均匀 性差和光 ， “ ” 功率较弱的问题 提出了 单色仪 积分球满足成像 器件对单色 、 、 学系统的需要单色 大 面积 高均匀性光 仪和积分球之间的接口设计是提高光辐射均匀

5、性和提 高光辐射能量 的 关键 ，一般情况下采用单色 仪输出的 空间光直接注 入 积分 球 这种方法的缺点是 光只能从 一个地方注入积分 球，要想使辐射非均匀性达 到 ， ， 难度很大 并且限制了单色仪和积分球摆放的灵活 性 本设计采用大 口径光纤束的方法注 ， 入 将单色仪 发 出 的光通过聚焦 系统收集到大口径光纤束 ， 中 分 别 从不同位置 （ ） ， 对称 状 注入到积分球系 统 此方法大大 提 高 了积分球的辐射均匀性 ， 方便仪器摆放 设计采用 “单色仪积分球”为主体设计光学系 统，光源采用进口的氙灯 ，积分球直径 ，输出孔径 ， ， 为了增加积分球辐射均匀 性 采用大口径光纤

6、束程对称装注 入 积分 球 尽量将单色仪输出 的光注入 积分球 ， 出的光收 采用高 质量的光收集器将单色仪输 集到大口径光纤束中 ， 从不同的地方注入到积分球 中 为提高积分球 ， 像 辐 射功率 满足监测探测器和成 器 件 测试需要 ，采用 多个光源和单色仪的方式设 计 光 学 系 统，但多个单色 仪之间的波长一致性需要精 确 校 准 或 实时测量 输出波长可通过光纤光谱仪实时检测 ， 通过 以上设计 实 现 了 积 分 球 在 的 波 长 范 ， ， 围 提高输出均匀性和辐射功 率 在出口设计上 积分 球设计成多个出口 ， ， 每个出口光能量分 布是相同的 这 样可通过检测口实时获得出光

7、孔处的 能量分布和辐射 波长 设计原理框图如图 图单色面阵光源设计原理框图 实验验证 本实验为了验证单色面 阵光源的输出波长示值、 功率输出均匀性和输出功率 单色面阵光源波长输出测量数据 对于积分球输 出的波长，采用光纤光谱仪进行测 量 测量时通过软件设置四台单色 ， 仪波长同时变动 测 量波长范围 ： ，步进 ，测量数据见 表 ， 从实 验数据分析 可以看 出 单色 输出光波长准确 度优于 表 单色面阵光源波长输出测量数据 单色面阵光源输出均匀性测量数据 采用该设计方 法和传统的方法都进行了实 ， 验 从实验 对于单色面阵 ， 数据可以看到 ，采用本文的设计方法积分 球输出均匀 光源输出均匀

8、性 设计采用单元探 “ ”， 性可以达到 ， 从 图 中 传统的方法均匀性为 测 器 弓型扫描法 所有用设备通电进行预热 将单元 探测器置于多 ， 单 元 探 可以明显看出 积分球光输入的一侧光强较 大，另一侧 维 位 移 台 上 调整多维位移台使 测器 表面紧靠 积分球辐 射面中 心 ， 光强较弱 从而验证了该设计的可行性 ， 且垂直于辐射面 选 采用该方法 和 用 生产的型 号 为 ， 传统方法的均匀性测量数据如图 积分球单色仪 ， 步进 设置波长为 ，扫描范围 刘红元 ，等：单色面阵光源设计 图单色面阵光源输出均匀性测量数据 单色面阵光源输出功率测量数据 实验采用标准功率计对积分球输出辐

9、射的光功率 进行测量，测量波长范围 为，测 量 步进 ，测量数据如图 从实验数据可以看出 ，输出功 率完全可以满足目前成像器件的测试 ， 特别是 成 像器件 图单色面阵光源输出功率测量数据 结论 本文基于单色面阵光源的设计原理，提出了 “单 色仪 积分球 ” 通过实验对积分球输出口 的设计方法 的光功率 、 、 行了验证 ， 中心 波 长 输出均性进 根据实验 数据分析可知 ，在积分球输出口面上 ，在输出波长范围 内 ， ， 波长准确度可以达到 输出功 率最小可以达 到 ，输 出 面 均 匀 性 比 传 统设 计 也提高了 完全可以满足目前大面阵成像器件 的测试需求 ， 重要的实 在 大面阵成

10、像器件测试上具有 用意义 参考文献 秦积荣 光电检测原理及应用 中 册 ： 北京 国防工业出 版 社 安毓英光电子技术 ： ， 北京 电子工业出版社 汤定元，正瑜糜光电器件概论上海：上海科学技术文献 出版 社， ， ， ， ， ， （ ）： 王高 明 ， ， ， 郭 城 张 亮 亮 等积 分 球 光 能 均 匀性 的 模 拟 ， ， （）： 激光与红外 ， ， ， ， ，（）： ， ， ， 李葆勇 任建伟 万志 等一种空间相机辐射定标用大面积辐 ， ， （）： 射光 源的 研 制 光电 子 激 光 ， ， ，（）： 张红坡，黄莉 点源目标模拟器研制光学仪器， ， （ ）： ， ， ， ， （ ）： ， ， 红外与激光工 刘亚平李娟 张宏 星模拟器的设计与标定 ， ，（）： 程 ， ， ， ， ，（）： 谢娜，周海，张军伟，等 大型激光装置光学元件的稳定性设计 ， ，（）： 光 学精 密工 程 ，