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点阵式辐射定标光源的研究

作　者: 全先荣
导　师: 任建岳; 任建伟
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 辐射定标 LED阵列均匀性计算仿真线性调光
分类号: TP73
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

实验室辐射定标是光学遥感器研制中的一个重要环节，其作用是建立光学遥感器辐射输入与最终电信号输出之间的响应函数。遥感器的实验室辐射定标应遵循全孔径、全视场、端对端的原则，扩展辐射源作为相机实验室辐射定标的标准光源，要求能够对相机进行全孔径、全视场的照明，因此应具有较大的开口直径和较为理想的余弦辐射性能。大口径积分球光源是一种较为理想的均匀、漫射扩展源，是已经被公认的空间光学遥感器辐射定标扩展辐射源。随着空间光学的飞速发展，空间光学遥感器的分辨率越来越高，光学系统口径也越来越大，这就要求积分球定标光源的直径越来越大，造成了制作难度和成本的成倍增加，而且定标时移动困难，需要外场定标时无法将积分球带到发射场地，所以研究体积小、重量轻，又能满足均匀、漫射扩展源要求的定标光源已成为当前极为迫切的任务。针对大孔径光学遥感器的辐射定标需求，本文提出用LED阵列代替积分球作为定标光源。相比传统大口径积分球光源，LED阵列具有体积小、重量轻、功耗低、移动方便等优点，可以根据遥感器的口径大小进行拼接，灵活性高。该定标光源如果能通过合理的设计达到定标要求，将会给超大口径遥感器的定标带来极大方便。本文通过分析定标光源的特点，阐述了LED阵列用作定标光源的可行性。采用理论推导和计算仿真的方法对LED阵列光源的照明均匀性进行了研究，重点分析LED阵列的空间角度辐射分布和平面照度分布，用MATLAB模拟了LED发光角度、排列方式、排列间距等因素对照明均匀性的影响，并结合实验室辐射定标对光源均匀性的要求，设计LED阵列光源模型，利用LightTools软件对该模型的照明均匀性进行仿真，结果显示LED阵列面均匀性可达到95.1%，空间角度辐射均匀性可达到98.2%。使用LM3409HV芯片进行模拟调光，通过单片机控制输入模拟电压调节LED的驱动电流，以达到调节光源亮度的目的。通过分析LED的光电性能参数，测试和筛选LED，制作出LED阵列光源，并对光源进行亮度、均匀度、光谱和色坐标等光学测试。测试结果表明：光源的亮度可实现不同等级的线性调节；面均匀性为95.49%，与模拟结果一致；空间角度辐射均匀性为94.2%，与仿真结果有一定的差异。通过分析，指出造成测试值与仿真值差异的原因主要有，实际制作成点阵光源的LED的一致性达不到100%；漫射材料的朗伯特性并不完全满足理想的余弦辐射特性，同时测试过程中不可避免的存在测量误差。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-21
  1.1 研究背景和意义  12-15
    1.1.1 辐射定标原理  12-15
    1.1.2 研究新型定标光源的意义  15
  1.2 实验室辐射定标光源的研究现状  15-19
    1.2.1 积分球光源  16-17
    1.2.2 LED 定标光源  17-19
  1.3 本论文的研究内容和章节安排  19-21
第2章 LED 发光原理及特性  21-30
  2.1 LED 的发光机理  21
  2.2 LED 的主要参数与特性  21-27
    2.2.1 LED 的电学特性  21-24
    2.2.2 LED 的光学特性  24-27
    2.2.3 温度特性  27
  2.3 白光 LED 发光原理  27-30
第3章辐射度学理论  30-36
  3.1 辐射量  30-32
    3.1.1 辐射通量  30-31
    3.1.2 辐射强度  31
    3.1.3 辐射亮度  31-32
  3.2 光学量  32-34
    3.2.1 光通量  32-33
    3.2.2 光照度  33
    3.2.3 发光强度  33
    3.2.4 光亮度  33-34
  3.3 光学量与辐射量间的关系  34-36
    3.3.1 光谱光效率函数  34
    3.3.2 光学量和辐射量间的关系  34-36
第4章 LED 阵列定标光源的设计与实现  36-51
  4.1 设计要求  36
  4.2 影响均匀性的主要因素分析  36-45
    4.2.1 LED 空间角度分布均匀性  36-37
    4.2.2 LED 平面照度均匀性  37-45
  4.3 光源模型设计  45-49
    4.3.1 漫射材料的选择  45-47
    4.3.2 模型结构  47-49
  4.4 光源模型均匀性仿真  49-51
第5章驱动电路设计  51-71
  5.1 电流对 LED 光学参数的影响  51-54
    5.1.1 对色坐标的影响  51
    5.1.2 对色温的影响  51
    5.1.3 对主波长的影响  51-52
    5.1.4 对光强度和光通量的影响  52-53
    5.1.5 对发光效率的影响  53
    5.1.6 对峰值波长的影响  53
    5.1.7 对显色指数的影响  53-54
  5.2 光源的驱动电路研究  54-69
    5.2.1 LED 的等效电路  54-55
    5.2.2 LED 的驱动方式研究  55-60
    5.2.3 LED 的调光方式  60-61
    5.2.4 光源驱动电路设计  61-69
  5.3 温度控制  69-71
第6章光源制作与测试  71-90
  6.1 LED 稳定性与一致性筛选实验  71-79
    6.1.1 稳定性实验  71-77
    6.1.2 LED 一致性筛选实验  77-79
  6.2 光源制作  79-81
  6.3 测试设备  81-82
  6.4 测试方法  82-84
  6.5 测试结果  84-89
    6.5.1 亮度  84-85
    6.5.2 平面照度均匀性  85-86
    6.5.3 空间角度辐射均匀性  86-87
    6.5.4 光谱分布  87-88
    6.5.5 色温  88-89
  6.6 结果分析  89-90
第7章总结与展望  90-92
参考文献  92-96
在学期间学术成果情况  96-97
指导教师及作者简介  97-98
致谢  98

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