專利名稱：一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定，特別是一種基于光柵分束特性的二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
高分辨率二維成像器件，如CCD器件，具有光電轉(zhuǎn)換特性好、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大以及體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為激光領(lǐng)域測(cè)量激光束參數(shù)的核心器件，然而在實(shí)際應(yīng)用中，受限于成像器件有限的線性響應(yīng)范圍(動(dòng)態(tài)范圍)，在測(cè)量激光束參數(shù)之前通常需要先就器件對(duì)該波長(zhǎng)激光的光電響應(yīng)特性進(jìn)行標(biāo)定，以便在測(cè)量過程中對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p和測(cè)量結(jié)束后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)作合理的修正處理。傳統(tǒng)的對(duì)CCD器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定是基于能量卡計(jì)的標(biāo)定方法，如張震在學(xué)位論文，“可見光CCD的激光輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究”，2005，采用分光器件將入射激光分為兩束， 一束光用標(biāo)準(zhǔn)能量卡計(jì)檢測(cè)激光功率，另一束光用CCD記錄其輸出，通過調(diào)節(jié)入射激光的功率或加入不同衰減倍率的濾光片改變進(jìn)入CCD和能量卡計(jì)的功率，就可以得到能量卡計(jì)和CCD輸出灰度之間的一組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，從而標(biāo)定出CCD的光電響應(yīng)特性。該標(biāo)定方法雖然操作簡(jiǎn)單，但不足在于標(biāo)定工作需要多次曝光采樣，而且基于絕對(duì)能量測(cè)量的標(biāo)定方法也存在較大的誤差。國(guó)內(nèi)李恩德等，在文章“電荷耦合器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定研究”強(qiáng)激光與粒子束， Vol. 18，No. 2，2006，提出基于小孔衍射的C⑶光電響應(yīng)特性的標(biāo)定方法，入射的平行平面光束經(jīng)小孔后由長(zhǎng)焦透鏡聚焦于CCD光敏面上，利用小孔衍射圖像的零級(jí)譜的能量相對(duì)分布作為CCD能量的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入，依據(jù)最小二乘擬合準(zhǔn)則，根據(jù)CCD的灰度輸出標(biāo)定出其響應(yīng)特性。國(guó)內(nèi)王淑青等，在文章“雙縫衍射用于CCD響應(yīng)特性的模擬研究”光電工程， Vol. 28，No. 4，2001，提出基于雙縫衍射的CXD器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定方法，其基本原理與基于小孔衍射標(biāo)定方法類似，不同之處在于它是以雙縫衍射圖樣的各個(gè)條紋的峰值灰度作為標(biāo)準(zhǔn)參考輸入?；谛】籽苌浜碗p縫衍射的CCD標(biāo)定方法的優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)定工作只需單次曝光，可用的CCD采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，但不足之處在于，為了在CCD光敏面上得到較多的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，要求小孔或雙縫的尺寸比較小，這導(dǎo)致上述兩種方法的光能利用率均比較低，不能實(shí)現(xiàn)較大范圍的標(biāo)定，尤其在標(biāo)定光源較弱時(shí)無法使用。國(guó)內(nèi)謝旭東等，在文章“CCD系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍的標(biāo)定”強(qiáng)激光與粒子束，Vol. 12， No.sl，2000，提出采用尖劈分束的方法在CCD光敏面上得到一系列不同衰減倍率的子光斑，利用各子光斑峰值的測(cè)量灰度值與理論值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成CCD的標(biāo)定，此方法光能利用率高，但不足在于可用于標(biāo)定的采樣點(diǎn)數(shù)較少。國(guó)外也有一些學(xué)者提出過許多標(biāo)定CCD光電響應(yīng)特性的方法，但基本思路與標(biāo)準(zhǔn)能量卡計(jì)的標(biāo)定思路類似，如Bennett H E等，在文章“Accurate method for determining photometric linearity” APPLIED OPTICS, Vol. 5，No. 8，1966，利用偏振片對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制來改變進(jìn)入CCD的光能量；還有Swyt D A等，在文章“hverse-fourth apparatus forphotometric calibrations"Review Science Instrument, Vol. 49, No. 8,1978,利用點(diǎn)光
源的距離平方反比定律，使光源與CCD的距離由小變大來改變進(jìn)入CCD的光能量。以上這些方法均需要多次曝光完成，并且測(cè)量結(jié)果受能量測(cè)量以及其它一些輔助量測(cè)量精度的影本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有標(biāo)定方法的不足，提供一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，具有光能利用率高、標(biāo)定范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定方法，利用線衍射光柵的分束特性，使入射光束在二維成像器件光敏面上形成一系列光強(qiáng)度被調(diào)制的衍射子光斑，通過各衍射子光斑的峰值測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算所得到的峰值理論數(shù)據(jù)，對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到測(cè)量數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的理論數(shù)據(jù)，擬合兩組數(shù)據(jù)完成對(duì)二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定。本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)為標(biāo)定裝置包括線衍射光柵、聚焦光學(xué)系統(tǒng)、待標(biāo)定的二維成像器件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，線衍射光柵和聚焦光學(xué)系統(tǒng)密接放置。如圖2所示，一維線衍射光柵的光柵常數(shù)為d，每個(gè)狹縫的寬度為a，透過率函數(shù)沿某一方向被周期性調(diào)制，聚焦光學(xué)系統(tǒng)外徑D，中心擋板直徑為ε (ε為中心遮攔比)。標(biāo)定方法分為以下五步步驟1 入射的平行平面光束經(jīng)線衍射光柵空間強(qiáng)度調(diào)制和聚焦光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后，通過調(diào)整二維成像器件光敏面在聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的位置，使得在二維成像器件的光敏面上形成一系列峰值強(qiáng)度被光柵參數(shù)調(diào)制的衍射子光斑零級(jí)、+1級(jí)、+2級(jí)…+ (Π-1) 級(jí)，或零級(jí)、-1級(jí)、-2級(jí)…-(η-1)級(jí)，η為在二維成像器件光敏面上所形成的衍射子光斑的數(shù)目；步驟2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集二維成像器件輸出的數(shù)據(jù)，假設(shè)測(cè)得的各衍射級(jí)子光斑峰值光強(qiáng)數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)組(U1, U2,…Un)，各衍射子光斑的峰值理論比例系數(shù)構(gòu)成數(shù)組(P1, P2, . . . Pn)，各衍射級(jí)子光斑峰值理論真實(shí)值構(gòu)成數(shù)組(PlV，P2V,…PnV)，ν為常數(shù)；步驟3 設(shè)二維成像器件對(duì)該波長(zhǎng)激光的線性響應(yīng)區(qū)至少包括數(shù)值范圍[Gmin
Gmax],那么由[Gmin GfflaJ內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)(U1，U2，"im )及其對(duì)應(yīng)的理論真實(shí)數(shù)據(jù)(P1V,
通過最小二乘擬合方法求得常數(shù)v，v = :,.)2，從而得到測(cè)量數(shù)
據(jù)(Ul，U2，…un)及理論真實(shí)數(shù)據(jù)(piv，p2v，-pnv)兩組數(shù)據(jù)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟4 改變?nèi)肷浼す獾墓β驶蛟诒３旨す廨敵龉β什蛔兊那闆r下使用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光柵，以得到覆蓋二維成像器件不同輸出范圍的測(cè)量數(shù)據(jù)；步驟5 將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)和理論真實(shí)數(shù)據(jù)分別融合在一起，擬合以上兩組數(shù)據(jù)， 最終完成對(duì)二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定。所述步驟2在二維成像器件光敏面上形成的一系列衍射子光斑的峰值理論比例系數(shù)構(gòu)成的數(shù)組確定方法如下采用單位振幅的平行平面光束照明，在D/d >> 1時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射花樣各衍射級(jí)彼此交疊可以忽略，焦面上點(diǎn)(χ，y)處衍射場(chǎng)強(qiáng)度分布由下面公式給出
響較大
發(fā)明內(nèi)容
權(quán)利要求
1. 一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，其特征在于標(biāo)定裝置包括線衍射光柵(1)、用于對(duì)入射光束聚焦的聚焦光學(xué)系統(tǒng)O)、待標(biāo)定的二維成像器件C3)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)G)，其中線衍射光柵(1)靠近聚焦光學(xué)系統(tǒng)O)的入射端口密接放置，標(biāo)定方法如下 步驟1 入射的平行平面光束經(jīng)線衍射光柵空間強(qiáng)度調(diào)制和聚焦光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后，通過調(diào)整二維成像器件光敏面在聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的位置，使得在二維成像器件的光敏面上形成一系列峰值強(qiáng)度被光柵參數(shù)調(diào)制的衍射子光斑零級(jí)、+1級(jí)、+2級(jí)…+ (n-1)級(jí)，或零級(jí)、-1級(jí)、-2級(jí)…-(n-1)級(jí)，η為在二維成像器件光敏面上所形成的衍射子光斑的數(shù)目； 步驟2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(4)采集二維成像器件C3)輸出的數(shù)據(jù)，假設(shè)測(cè)得的各衍射級(jí)子光斑峰值光強(qiáng)數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)組( , ,…un)，各衍射子光斑的峰值理論比例系數(shù)構(gòu)成數(shù)組(Pl， P2, . . . Pn)，各衍射級(jí)子光斑峰值理論真實(shí)值構(gòu)成數(shù)組(Ριν，P2v,…pnv)，ν為常數(shù)；步驟3 設(shè)二維成像器件(3)對(duì)該波長(zhǎng)激光的線性響應(yīng)區(qū)至少包括數(shù)值范圍[GminGmax]，那么由[Gmin Gmax]內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)(M1，M2，... Mm )及其對(duì)應(yīng)的理論真實(shí)數(shù)據(jù)到測(cè)量數(shù)據(jù)(UpU2,…un)及理論真實(shí)數(shù)據(jù)(piv，p2v，-pnv)兩組數(shù)據(jù)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟4 改變?nèi)肷浼す獾墓β驶蛟诒３旨す廨敵龉β什蛔兊那闆r下使用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光柵，以得到覆蓋二維成像器件C3)不同輸出范圍的測(cè)量數(shù)據(jù)；步驟5 將所有的測(cè)量數(shù)據(jù)和理論真實(shí)數(shù)據(jù)分別融合在一起，擬合以上兩組數(shù)據(jù)，最終完成對(duì)二維成像器件C3)光電響應(yīng)特性的標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，其特征在于所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)(2)為反射式卡塞格林聚焦系統(tǒng)或聚焦透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，其特征在于所述的線衍射光柵(1)的光柵線條刻畫朝向根據(jù)二維成像器件光敏面水平和垂直方向上的尺寸而定，可以將光柵的線條刻劃方向保持水平，也可以保持豎直或成一特定角度放置，目的是能夠充分利用二維成像器件的光敏元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，其特征在于所述待標(biāo)定的二維成像器件為CXD器件或CMOS器件。Piv，...PmV)，通過最小二乘擬合方法求得常數(shù)ν，ν =]從而得
全文摘要
一種二維成像器件光電響應(yīng)特性標(biāo)定方法，包括線衍射光柵、聚焦光學(xué)系統(tǒng)、待標(biāo)定的二維成像器件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于二維成像器件標(biāo)定的入射光束為平行平面光束，經(jīng)線衍射光柵的空間強(qiáng)度調(diào)制和聚焦光學(xué)系統(tǒng)的會(huì)聚后成像于二維成像器件光敏面上，線衍射光柵的分束特性使得入射光束在二維成像器件光敏面上形成一系列光強(qiáng)度被調(diào)制的衍射子光斑，通過各衍射子光斑的峰值測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算所得到的峰值理論數(shù)據(jù)，對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到測(cè)量數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的理論數(shù)據(jù)，擬合兩組數(shù)據(jù)完成對(duì)二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定。本發(fā)明光能利用率高，不僅適用于較強(qiáng)光源情況下的二維成像器件光電響應(yīng)特性的標(biāo)定，對(duì)較弱光源也是適用的；多組測(cè)量數(shù)據(jù)的融合擴(kuò)大了標(biāo)定的范圍。
文檔編號(hào)G01M11/00GK102288385SQ20111012029
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者李新陽, 賀元興 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所