用于成像和非成像设备的高动态范围测试和校准的均匀积分球光源 / Uniform Integrating Sphere Light Sources for High Dynamic Range Test and Calibration of Imaging and non-Imaging Devices

为了测量成像传感器的灵敏度、线性度和非均匀性，需要一个带有参考光源的测试装置，该光源均匀地照射测试样本。具有准单色发射光谱的积分球光源可用于鉴定灰度和彩色传感器和摄像系统。然而，对于要求更高的光度测量和光谱辐射测量任务所需的成像传感器和系统的表征，具有连续发射光谱的光源是必要的。此类应用的标准照明物是石英卤素灯。

石英卤素灯是唯一具有从紫外线到红外线的宽带连续发射光谱的合适光源。它们的光谱发射曲线在250纳米到2500纳米的波长范围内与黑体的光谱发射曲线密切相关。因此，石英-卤素灯的色温大约是灯丝的工作温度。

石英卤素灯可作为光谱辐照度和光谱辐射通量的校准标准。作为光谱辐射率的校准灯，石英卤素灯可与积分球结合使用。这种积分球光源提供了一个高度均匀的光场，具有近乎完美的朗伯分布[1]。

对于积分球的尺寸，经验法则是，积分球光源中所有开口的总面积（照场、光源和任何监测探测器所需）不应超过总球面的5%，以确保球内光的均匀分布。积分球内光分布的均匀性也取决于合适的涂层，重要的是，内部挡板的设计，需要防止光源和球体输出端口的光场之间的任何直接光路。

 照射场的光谱辐射水平取决于各种参数。

积分球的直径和任何端口的大小（球体直径和端口面积越大，衰减就越高）。
积分球涂层的反射率（反射率越高，光通量就越大）。必须考虑到特定波长的反射率。
内部挡板的尺寸和设计。
积分球内的辐射通量。
石英卤素灯的辐射通量取决于灯的功率。
石英卤素灯的辐射通量随其色温的升高而增加。
石英卤素灯的全部辐射通量只有在灯管排列在积分球内时才能被耦合到积分球中。
成像传感器的线性是通过用不同强度的光照来测量的。线性度测量的一个重要前提是，参考光源的发射光谱和空间均匀性在强度变化时不能改变。对于有内部灯安排的积分球光源，强度的变化只能通过开关灯来实现。这是因为对灯的电力的任何改变都会导致色温的改变，因此是不允许的。为了实现可变强度调节，石英卤素灯可以放在球体外。这样一来，进入球体的辐射通量就可以由一个可变孔径来控制。最重要的是，任何机械光圈都被石英卤素灯均匀地照亮，以确保色温中性的强度调节。为此，使用具有漫射表面的反射器已被证明。

在外部安装的石英卤素灯前使用光学校正滤光片的可能性是有限的，因为该灯发出的红外辐射（热量）非常高。只有具有非常低的红外吸收的滤光片可以使用。

为了测量成像传感器和摄像机的灵敏度，可以用光谱辐射度（W. sr-1.m-2.nm-1）和亮度（cd/m2）的单位来校准发光区域的强度。它可以提供不同的强度水平。此外，还有可能在球体的设计中加入一个监控探测器，它与球体的输出辐射度/亮度相匹配。

Gigahertz-Optik GmbH生产的积分球光源的球体直径从50毫米到1000毫米不等。例如，标准型号ISS-17-VA和ISS-30-VA，在校准光谱辐射计、多光谱和高光谱传感器等的光谱辐射度和均匀度方面很受欢迎。此外，Gigahertz-Optik GmbH的模块化球体概念是为了配置特定应用的积分球体光源。

参考文献

[1] Theory and applications of integrating spheres