大口径积分球参考光源的均匀性研究

针对大口径宽视场光学遥感器的相对辐射校正要求,研究大口径积分球参考光源输出的均匀性.利用空腔辐射传输理论,从发光单元辐出度分布及安装位置角度分析了积分球参考光源的均匀性,分别在积分球出光口中心法线±30°~±36.8°、±30°~±45°位置安装点光源(卤钨灯)、近郎伯型面光源(LEDs)并进行优化设计.研制了直径为3m,开口直径为1m的基于LEDs和卤钨灯的积分球参考光源,并检测了参考光源的均匀性。检测结果表明,积分球出光口Φ890mm内的面均匀性、±60°以内的角度均匀性均优于99%,与分析结果一致.     

双带X光源照射下几何因子对柱形靶腔中靶丸辐照不均匀度的影响

讨论了在激光束作用下双端开口的柱形靶腔中产生双带状Ｘ光源的情况下，诸如带状光源的位置、柱靶腔的半径与长度之比及双带源的对称性和能量匹配性等几何因子对辐照不均匀度的影响。对辐照不均匀度进行了谱分析。通过采用类似Ｔｓａｋｉｒｉｓ等人给出的柱形靶腔在双带Ｘ光源下的靶腔温度空间分布，可以大大地简化辐照不均匀度的分析，可以用来计算辐照不均匀度随时间的变化。计算表明几何因子对辐照不均匀度有很大的影响。     

积分球辐射光源照度均匀性研究

针对CCD等焦面阵列光电器件常被置于积分球辐射光源出口平面进行测试的误区,研究了积分球辐射光源照度分布的均匀性,得到了合理使用积分球光源测试光电器件的依据。基于数值解析方法和蒙特卡罗方法,建立了理想积分球辐射光源照度均匀性数学模型和非理想积分球辐射光源照度均匀性仿真模型,分析了与积分球光源出口不同距离处光电器件受光面上照度分布情况,并实验测试了两套积分球辐射光源照度分布情况,得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。研究表明:当光电器件受光面直径小于积分球光源出口直径一半、光电器件和积分球出口之间的距离与积分球出口直径的比值在3至5之间时,可在光电器件受光面上获得均匀性优于99%的照度场。     

双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

双氙灯光源积分球日照计校准系统

为解决旋转热释电日照计(RPSDR)室外校准易受环境影响、重复性差、效率低等问题,提出了一种以双氙灯光源积分球系统校准RPSDR的室内校准方法。根据RPSDR的组成、结构和测量原理,利用太阳模拟、积分球环境模拟等技术,设计了以氙灯太阳模拟器输出直接辐射、以穹顶氙灯模拟散射辐射的双光源积分球日照计校准系统,提出了积分球结构参数,分析了氙灯光源的辐照度分布和光谱修正,建立了在室内进行日照阈值校准、在室外进行日照时数验证的综合性RPSDR校准方法。经测试,校准系统的有效辐照面内的辐照度均匀性含中心点时为2.5%,不含中心点时为1.6%,有效辐照面内每小时的阈值点辐照度稳定性为0.68%,光源匹配AM1.5 A级太阳光谱能量分布;对一台RPSDR进行室内阈值校准和室外日照时数比对实验,结果验证了经系统校准后的RPSDR测量的日照时数与直接辐射表测量的日照时数参考值的相对误差不超过1%,绝对误差不超过0.26 h,满足气象行业日照时数的观测要求。     

太阳模拟器用自由曲面聚光镜设计

针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题,设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型,根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论,建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系;依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程,通过龙格-库塔法求解微分方程,计算出离散点数据;拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线,旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线,利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化,从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统,结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升,辐照面?50 mm内辐照不均匀度优于±0.32%,辐照面?100 mm内辐照不均匀度优于±0.53%;通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。     

用于生物医疗信息采集的多光谱均匀光源系统北大核心CSCD

多光谱成像是无创观察生物组织的有效工具,提高光源的辐照均匀性将更有利于准确获取病理组织的多光谱数据。提出基于积分球的多光谱均匀光源系统,为生物组织的多光谱数据采集提供均匀辐照。基于蒙特卡罗光线追迹法对积分球腔体的取位方式进行选择,并对腔体大小、LED布局、积分球输出槽尺寸进行了优化,以确定结构模型的最佳参数;根据优化参数构造了集成11种窄波段LED的实例进行了光学性能验证,实验结果证明所有波段都能在输出槽的主要部分区域实现2%辐照度不均匀性分布;研究了该系统的宽光谱兼容能力,实验结果表明,光谱在输出槽的最大均方根误差为3.74%,具有良好的宽光谱兼容能力;最后,基于所提出的系统进行了静脉可视化测试,用光纤拓展了系统内窥镜的兼容性,并以此探讨了口腔内部牙齿表面病理情况。该系统的多功能性和均匀性在生物医疗图像采集中具有潜在的应用价值。     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

级联积分球辐射源角度均匀性研究

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源,需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论,建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型,并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明:理想情况下,采用2个朗伯型级联子球作为发光单元,对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时,通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后,通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性,发现实验结果与仿真结果接近一致。因此,通过优化发光单元的类型和安装位置,可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。     

微光ICCD参数校准装置的弱光均匀光源系统

在微光ICCD参数校准装置中,为了获得分辨力、信噪比、最低照度及像面均匀性等参数测试中光源输出不同光照度,需要大动态范围积分球微弱光均匀光源。通过对传统的光源结构以及存在的局限性进行分析,根据微光ICCD综合参数测试中对光源照度的不同要求,设计了弱光均匀漫射光源系统。光源系统采用双积分球模式,利用楔形渐变光阑及可变孔径光阑实现在色温恒定下照度的连续变化,形成不同照度范围的均匀漫射光源,对微光ICCD参数校准装置的弱光均匀漫射光源照度输出范围及均匀性进行了测量,得到该光源的出射光照度范围为（10-7～103）lx,出射光照度均匀性优于98%,光源满足微光ICCD性能参数测试的要求。     

Computer modeling of a large-area integrating sphere uniform radiation source for calibration of satellite remote sensors

To meet the pre-launch radiometric calibration requirements of large field of view (FOV) imaging remote sensors, a large-area integrating sphere uniform radiation source (ISURS) based on a 1600 mm diameter internally illuminated integrating sphere with a 620 mm diameter exit port was designed. The software TracePro based on ray-tracing method was applied to computer modeling of the ISURS. It is shown that the angle of internal radiation source from the center of the sphere is an important factor affecting the spatial radiance uniformity at exit port. Taking this factor into account, the model established is able to obtain the important characteristics of the sphere source. With the characteristics obtained, the ISURS was manufactured and its optical parameters were measured. The measurement result of the spatial radiance uniformity of the large-area ISURS was 99.19%. There is a discrepancy of 0.12% between measured and simulated results. It is demonstrated that the method used and the model established can increase the efficiency of designing large-area sphere radiation source.     

新型微弱光光度校准装置的建立

利用光强可调型双积分球微弱光源实现了微弱光照度的校准。介绍了微弱光光度校准装置的结构、双积分球光源设计原理及其量值溯源方法。分析了装置的稳定性、线性、辐射场均匀性、色温变化、衰减光阑倍率等计量特性。对装置的测量不确定度进行了分析。装置量程为10~(-1)～10~(-6)lx,不确定度U=1.6%(k=2)。     

基于多目标人工鱼群算法的光疗LED照度优化研究

提高发光二极管（light emitting diode,LED）组成的光疗光源在照射平面上的照度均匀分布水平,对于光疗设备发展具有重要的价值。提出了一种基于多目标人工鱼群算法的光疗LED光源的照度优化方法。设计了2种不同组合模式的光疗LED光源阵列。结合多目标人工鱼群算法对光疗LED光源阵列组合数据进行优化,使光疗LED光源阵列的照度分布更加均匀。将优化设计后的光疗LED 光源芯片组合数据,导入光学仿真软件TracePro实现仿真验证,得到经优化的圆形光源排列的照度均匀程度较未优化圆形光源排列提升0.104,矩形光源排列的照度均匀程度较未优化矩形光源排列提升0.148。对比分析最终数据,验证了该优化方法是可行的,可以提高光疗LED光源的照度分布水平。     

基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计

对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

A dipole loudspeaker with a balanced directivity pattern

Analytical equations describing radiation characteristics of an oscillating ring in a circular finite baffle are derived, including the limiting case of a dipole point source at the center. An oscillating sphere would represent the ideal dipole source, having a constant directivity pattern at all frequencies, but would be inconvenient to realize especially in portable devices. It is found that a planar piston with uniform surface velocity but variable phase arranged to emulate the sphere does not have such a smooth on-axis response as the sphere. Instead a planar piston with the same phase distribution but uniform pressure represents an ideal planar source with a smooth on-axis response and near constant directivity. The surface velocity is plotted and it is then shown that a similar response can be achieved using a finite number of concentric rings based on this velocity distribution.     

光谱可调积分球光源的光谱匹配算法研究

基于光谱匹配算法是可调光源产生种类多样光谱分布的必要手段,提出Levenberg Marquardt算法作为光谱匹配算法。利用峰值位置等间隔均匀分布的理想高斯曲线作为LED发光光谱,借助该设定的一系列曲线仿真模拟目标光谱,实验表明,利用该算法模拟太阳、沙漠、海洋和植被的相对光谱分布,相对光谱差异分别为2.17%、1.76%、2.03%、1.7%。利用实验室现有LED的发光光谱进行验证实验,匹配3种目标光谱的相对差异均小于5%。实验结果表明,Levenberg Marquardt算法可应用于光谱可调积分球光源的光谱匹配。