太阳均匀光源系统

某研究所需要一套能在高色温下输出高亮度的均匀光源。输出将通过准直器发送，以模拟太阳光进行某些测试程序。该系统将与其他单元一起在光学平台上使用，从而要求设备紧凑。蓝菲光学的标准HELIOS系统可满足客户对光谱输出和均匀性的要求。为了使系统能够与光学平台匹配紧凑，需要对产品进行设计更新，产品特点：大功率氙灯光源，在6,000K时亮度输出在100,000 lux以上具有可在3,000K下输出50,000 lux的QTH光源每个灯都装有可变衰减器，可连续调节带有自动快门的光谱仪带有快门和滤光片轮的硅探测器，包括光度学和900 nm带通滤光片定制的泡沫开口端盖可连接到其他光学元件，而不会损失光或污损设备标准的HELIOS（蓝菲光学）尺寸为14 x 28 x 23英寸，但是客户需要更紧凑的配置。 Labsphere（蓝菲光学）能够重新排列组件，使所有组件都能放在17 x 18 x 28英寸的框架中。尽管比标准的HELIOS系统小很多，该系统仍能满足亮度和极高的均匀性要求，从而保证测量的准确性和可靠性。特点结构紧凑，客户能够将Labsphere（蓝菲光学）的系统集成到他们的测试配置中；后半球没有开口孔，在积分球的背面创建了一个宽阔的无缝区域，以实现完美的均匀性；泡沫开口端盖使客户可以轻松地将准直仪连接到积分球上，而不会影响其数据的准确性；宽光谱控制和可用性，可通过Labsphere（蓝菲光学）的HELIOSense软件轻松调整光谱辐射度，色温和波长分布；精确可调的光源使用户可以在任何光照水平下（高达太阳光直射水平）进行测试。同时使用卤钨灯和氙灯时的光源均匀性光谱均匀性均匀性99.07%非均匀性偏差0.25%角度均匀性y均匀性97.93%非均匀性偏差0.44%灯信息安装灯泡色温(K) 照度(lux) 只有卤钨灯305041,790只有氙灯6372160,000同时安装两个灯5335205,000

技术介绍：目前市场上有多种灯源，这些灯源只一般提供复色光，不能根据用户的实际应用提供单一或是较短波段范围的光，因此可调光源也就孕育而生。光源经过不同特点的分光器件（一般为单色仪），输出或是高分辨高窄线宽光，或是高能量的复色光，从而可以在不同的应用场景中使用。产品应用：均匀光源是可调光源一个重要分支，一般可用于探测器如（CCD，CMOS）的响应均匀性测试等光电领域测试。CCD像素非均匀性测试：CCD芯片是由多个像素组成。在CCD制造过程中，因为硅基材料本身质量，以及生产工艺等因素，即使在同一个采集参数下（曝光时间，读出速率等），各像素的暗电流，量子效率还是会有细微的差别。在一些大面阵相机使用的场景，如天文观测，需要在CCD相机使用前对感光芯片的各像元的响应非均匀性做统一的测试。 均匀光源是该测试中的重要环节，光源的均匀性和稳定性都会影响到测试的准确性。 图1：CCD芯片非均匀性测量流程图，内含TLS（可调光源）和积分球如上图所示灯源经光谱仪分光后由积分球输出成为均匀光源，然后照射待测CCD相机进行测试。根据测试响应波段的要求，一般灯源可以选用卤素灯作为光源，用光功率计放置于积分球出口，测量光源在不同电流时的能量输出。经过长时间开启后，（一般30分钟以上），再次测量输出能量数值。经过对比，得到一个电流最佳值使得灯源在长时间工作后仍可保持1%以内的稳定性。光源均匀性测试可以用光功率计在XY电移台上以一定间隔（如1cm），在CCD测试位置获得光源照射到CCD面上的不同位置的照射强度均匀程度。在光源的强度稳定性和均匀性符合测试指标后，接下来可以进行CCD非均匀性测试。分别在挡光和不挡光状态下获得相机在同一AD等参数的情况下图像数据。然后在逐一针对不同曝光时间分析像素点的数值输出。最后得到对CCD芯片的响应均匀性测试，并重新建构测试芯片的暗电流和光电流的分布情况。 图2：卓立汉光推出的基于可调光源的均匀光源系统卓立汉光经过多年的研发，针对不同的光源需求，推出基于不同光源和单色仪的可调光源系统（TLS系列光源） 图3：不同灯源组合灯源加320mm焦距谱仪组合TLS光源灯源不稳定性输出范围氙灯（75W、150W）1%200-2000nm氙灯（300W、500W）10%200-2000nmEQ光源1%200-2000nm溴钨灯（150W、250W）1%350-2500nm40W红外光源1%1.1-12um 灯源加200mm焦距谱仪组合TLS光源灯源不稳定性输出范围氙灯（75W、150W）1%200-1000nm氙灯（300W、500W）10%200-1000nmEQ光源1%200-1000nm溴钨灯（150W、250W）1%350-2500nm40W红外光源1%1.1-8um 引用文献：1， Liang Shaolin, Wang Yongmei, Mao Jinghua, Jia Nan, Shi Entao,Infrared and Laser Engineering, 0417004, 48（2019）2， EMVA Standard 1288,Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras，2021Wang Shushu, Ping Yiding, Men Jinrui, Zhang Chen, Zhao Changyin，Proc. SPIE 11525, SPIE Future Sensing Technologies, 115252I (2020)

1、背景介绍 近年来，随着工业4.0及人工智能的发展，越来越多的自动化设备被广泛应用于生产过程中。工业4.0离不开智能制造，我国在2015年提出的“中国制造2025”宏伟计划中，第一项战略对策就是“推行数字化网络化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一环就是机器视觉。机器视觉是指通过机器来模拟人眼的功能，对客观事物进行信息提取，处理和分析，最终实现检测和判断，最终交给计算机进行控制。中国是机器视觉产业发展最为迅速的国家，目前已经在工业，航天，医疗，交通，科研等诸多行业进行了广泛的应用。图1 机器视觉代替人眼二、目前机器视觉存在问题 典型的工业机器视觉系统包括：光源，镜头，相机，图像采集卡，软件，监视器，输入/输出等。对于光学检测来说，机器视觉系统的性能主要取决于系统中光学相关部件，比如光源，镜头，相机等的性能。此外，光学检测要求的精度一般都较高，但是大多数相机在出厂时，并没有专门针对光学检测应用进行专门校准，往往会导致机器视觉系统的精度达不到要求，结果会出现误差。 比方说，如果将刚出厂的工业相机对着一个均匀照明的发光面进行拍照，拍摄出的图像四个角往往会出现暗区，这主要是由于相机镜头的余弦响应造成的。此外，由于相机传感器（CCD/CMOS）的非均匀性，也会导致对均匀光场成像的时候，图像的亮暗，颜色不均匀，如下图所示。以上这些因素，都会导致在一些精密的光学检测（比如平板显示检测）时，检测结果和真实情况出现较大偏差。图2 校准前相机平场响应 除此之外，相机对于不同亮度的线性响应也不同。由于相机输出的信号是灰度值，并不具有真实的物理意义。因此，在做光学检测（比如说亮度检测时），需要对相机进行线性度和亮度标定，建立起相机灰度信号和真实亮度的关系曲线。三、工业相机校准解决方案 为了解决以上机器视觉系统中存在的问题，提高机器视觉系统，尤其是AOI等光学检测系统的精度，欧洲机器视觉协会EMVA提出了《EMVA1288：成像传感器和相机性能表征标准》，其中介绍了如何对成像传感器及相机的空间不均匀度，灵敏度，线性度和噪声等一些列指标进行表征和校准的办法。其中明确写到：“最好的均匀光源是积分球均匀光源”，且推荐“光源的均匀性要大于97%”。图3 蓝菲光学相机平场校正方法 用户在使用时，只需要相机对准均匀光源的开口，拍摄一张图像，再经过算法进行计算，就可以对相机的均匀性进行校正，这一过程称为平场校正。经过均匀光源校准后，相机的均匀性可以显著提高。如下图所示，为一个工业相机经过积分球均匀光源校正前后相机的均匀性测试结果。从图中可以很明显看出，校正前相机的均匀性较差，中心场的响应优于周边的响应。校正后相机平面内的响应一致。相机校正前 相机校正后图4 工业相机经过蓝菲光学LED 积分球均匀光源系统平场校正前后对比 四、完美的积分球面光源 工业相机的精度决定了机器视觉系统的检测精度，校准光源的均匀性决定了工业相机的精度。越是均匀的积分球光源，经过其校准后得到的相机均匀性越高。根据积分球的原理，入射到积分球的光在积分球内部进行多次反射，最终在输出端口得到亮度，色度都完全均匀的面光源。积分球的出光口均匀性主要取决于以下几个方面：1.积分球内壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分为朗伯反射，镜面反射和混合反射。由积分球原理可知，积分球内壁材料反射特性越接近朗伯特性，其开口处均匀性越高。此外，当入射光是宽谱光时（比如白光），材料的光谱反射一致性决定了开口处的色度均匀性，材料的光谱反射率越一致，也就是对各个波长的反射率越一致，开口处的色度越均匀。2.积分球的设计。如何设计积分球的尺寸，入射光的位置，挡板的位置和方向，都会影响积分球开口的均匀性。 蓝菲光学积分球均匀光源Spectra-CT提供了一种超均匀，高动态范围，亮度/色温均可精细调节的面光源。该积分球光源采用蓝菲光学独有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect® ，基于蓝菲光学40余年的光学系统开发经验，精细的积分球结构设计，是机器视觉相机校准的完美解决方案。其主要具有以下特点：出光面超级均匀，均匀性大于99.5%系统输出稳定性高，稳定性达0.1%亮度线性可调节，可实现从微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度输出色温动态可调节，可实现从低色温2700K到高色温7500K的输出自带亮度监控，实时观测亮度输出情况软件实现光源和探测器的全部控制，界面简单易用，可提供控制指令供二次开发。系统还可定制各类色温，亮度，单色光，大视场角等不同参数的光源图5 蓝菲光学LED 均匀光源系统（Spectra-CT）及开口处光斑亮度分布 Spectra-CT LED积分球均匀光源是均匀性较高的面光源，其卓越的性能可以满足EMVA1288要求的相机均匀度，线性度，信噪比，动态范围等诸多参数测试。是从研发到生产，各类工业相机的理想校准光源。