CN102042873A - 基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法，该方法包括以下步骤：1)校准CCD器件：2)平行光场强度均匀性认定。本发明采用积分球将均匀强度标准传递至CCD，解决了均匀强度基准问题；本发明采用奇异点剔除、“标准块”方法进一步降低了CCD器件电子噪声的影响，保证了基准的精度；本发明采用旋转、平移方式实现了小靶面的CCD对大口径光场均匀性的认定，提高了分辨率；本发明采用以上方法认定的光场均匀性误差是确定的，即选定“标准块”时设定的误差是确定，能够精确测量平行光场的强度。

Description

基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法及其系统。
背景技术
平行光场是光学系统中最基本的一种光场，其强度均匀性(用调制度和对比度表示)是一项重要指标，尤其对强激光系统，由于工作在大能量状态，光场在系统中传输时，若出现调制，局部光场强度增大，将导致光学元件损伤，引起系统破坏或工作失效，因此精确测量平行光场的强度均匀性、进而对其造成的影响进行评估和预防是高功率激光系统必须要解决的问题。
一般而言，对光场强度进行测量需要采用光电传感器，例如CCD等，但是CCD等器件由于其芯片固有特性及驱动电子学的噪声影响而存在各像元响应的不一致性及动态范围内响应的非线性，表现为面响应的非均匀性，显然对高精度光场强度测量而言，测量器件的面响应非均匀性影响强度测量结果，需要予以解决。对于该问题的解决，目前还没有更好的方法。
发明内容
本发明为了解决背景技术中所述的平行光场中的面响应的非均匀性导致光场均匀性差、不稳定的问题，提供了一种基于光场均匀性基准传递进行强度高精度测量的方法及系统。
本发明的技术解决方案是：本发明是一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：
1)校准CCD器件：
1.1)采用均方根噪声小于5个电子的CCD器件，积分球，标定环境为暗室；
1.2)CCD与积分球连接：务必使CCD的敏感面和积分球内表面平齐，采用CCD工作波长的准直激光作为光源输入积分球进行标定；
1.3)功率计接在积分球上：将功率计探头接在和CCD接口对称的位置，在CCD的线性动态范围内采集一系列的图像和光功率值；以整幅图像灰度的均值
Figure B2009102184916D0000021
为纵坐标、光功率值为横坐标，绘出功率-灰度曲线图，选取CCD响应线性度好的区间图像作为进一步处理的图像；
1.4)CCD图像异常点剔除：根据步骤1.3)绘出的功率-灰度曲线图，求解标准差σ，将
Figure B2009102184916D0000022
或的像元作为像元的异常点，异常点灰度采用图像均值灰度
Figure B2009102184916D0000024
替代；
1.5)图像划分：将步骤1.4)结果图像采用像元合并的方式划分为不同的图像区域；
1.6)获得强度标准块：求解出步骤1.4)所得的每一个图像区域的灰度均值
Figure B2009102184916D0000025
根据精度需要设定标准块的强度误差；
2)平行光场强度均匀性认定：
2.1)将经过校准的CCD器件置于平行光场中，使CCD器件可以沿光路方向进行上下、左右的平移，同时CCD器件可以绕其靶面的法线旋转；
2.2)对光场中选定区域进行均匀性测量：旋转CCD对光场中选定区域进行多次均匀性测试，获取其灰度值，若该灰度值在步骤1.6)步中设定的标准块的强度误差范围内，则认为该区域的光场是均匀的；
2.3)将CCD平移其靶面大小的一半距离，选定新的光场区域，重复步骤2.2)进行均匀性认定；
2.4)重复步骤2.3)使CCD靶面跑遍光场中的所有区域，进行整个光场的均匀性认定。
上述步骤1.1)采用的积分球内表面球面积与接CCD的出口的面积之比大于100倍。
上述标准块的灰度均值
Figure B2009102184916D0000026
是与整幅图像灰度的均值
Figure B2009102184916D0000027
之间的强度误差小于1％。
本发明还提供一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定系统，其特殊之处在于：该系统包括校准CCD装置和平行光场强度均匀性的认定装置，校准CCD装置包括积分球、光源输入积分球进行标定的光源和功率计，CCD与积分球连接，功率计探头接在和CCD接口对称的位置，平行光场强度均匀性的认定装置包括用于CCD旋转及平移的机构和待测平行光场的激光系统，CCD设置在CCD旋转及平移的机构上，CCD置于待测平行光场中。
上述CCD与积分球连接时，CCD的敏感面和积分球内表面平齐。
上述光源为CCD工作波长的准直激光器。
上述积分球的内表面球面积与接CCD的出口的面积之比大于100倍。
本发明具有以下优点：
1、本发明采用积分球将均匀强度标准传递至CCD，解决了均匀强度基准问题；
2、本发明采用奇异点剔除、“标准块”方法进一步降低了CCD器件电子噪声的影响，保证了基准的精度；
3、本发明采用旋转、平移方式实现了小靶面的CCD对大口径光场均匀性的认定，提高了分辨率；
4、本发明采用以上方法认定的光场均匀性误差是确定的，即选定“标准块”时设定的误差是确定，能够精确测量平行光场的强度。
附图说明
图1是本发明校准CCD装置的示意图；
图2是本发明平行光场强度均匀性的认定装置的示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的校准CCD装置采用大口径积分球1和功率计2对科学级低噪声(均方根噪声小于5个电子)CCD器件3进行校准，其校准步骤如下：
1.1)校准时CCD器件3的靶面(CCD器件3的敏感面)与积分球1的内表面平齐(为此，需要去掉CCD器件3的外壳)，该积分球1的内表面球面积与其出口(接CCD)面积之比大于100倍以上，以保证积分球1出口光强度的均匀性；标定环境为暗室；
1.2)将均匀强度标准源(采用CCD器件3的工作波长的准直激光，即入射激光器)传递至CCD器件3，并采用接口在积分球1上、位置与CCD器件3对称的功率计2对CCD器件3的线形动态范围进行标定；
1.3)利用功率计2在CCD器件3的线性动态范围内采集一系列的图像和光功率值；以整幅图像灰度的均值
Figure B2009102184916D0000041
为纵坐标、光功率值为横坐标，绘出功率-灰度曲线，选取CCD响应线性度好的区间图像作为进一步处理图像；
1.4)CCD图像异常点剔除：绘出第3)步结果图像的灰度直方图(近似为正态分布)，并求解标准差σ，将像元灰度值＞图像均值灰度+5σ或像元灰度值＜图像均值-5σ的像元作为像元的异常点，异常点灰度采用图像均值灰度替代；
1.5)图像划分：将第4)步结果图像采用像元合并的方式划分为不同的图像区域，例如若CCD分辨率为1K×1K，采用10×10的图像合并则可将图像划分为100×100区域；
1.6)获得强度“标准块”：1.6)获得强度标准块：求解出步骤1.4)所得的每一个图像区域的灰度均值
Figure B2009102184916D0000042
Figure B2009102184916D0000043
测试精度要求高，则强度误差设置小，反之则反，例如当
Figure B2009102184916D0000044
引起的强度误差小于1％时可以认为该图像区域为“标准块”，强度“标准块”是进行平行光场均匀性测量的基准。
该附图中的标记7代表输入激光。
参见图2，本发明采用平行光场强度均匀性的认定装置进行平行光场均匀性认定：该平行光场强度均匀性的认定装置包括用于CCD旋转及平移的机构4、5和待检测的平行光场的激光系统6，检测时将CCD器件3置于待检测的平行光场6中，其中CCD旋转及平移的机构4、5，可采用现有的可控制物件旋转及平移的机构。
平行光场强度均匀性认定步骤如下：
2.1)将经过校准的CCD器件置于平行光场中，CCD器件可以沿光路方向进行上下、左右的平移，同时CCD器件可以饶其靶面的法线旋转；
2.2)对光场中选定区域进行均匀性测量：在旋转CCD的不同旋转角度下进行多次均匀性测试，获取“标准块”的多组数据(其目的是使“标准块”跑遍被测区域)；对以上数据进行判读，若“标准块”的灰度值在设定的强度误差范围内(步骤1.6)，则认为光场该区域是均匀的；
2.3)将CCD平移其靶面大小的一半距离，选定新的光场区域，重复步骤2.2)进行均匀性认定；
2.4)重复步骤2.3)使CCD靶面跑遍光场中的所有区域，进行整个光场的均匀性认定。

Claims (7)

1.一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)校准CCD器件：
1.1)采用均方根噪声小于5个电子的CCD器件，积分球，标定环境为暗室；
1.2)CCD与积分球连接：务必使CCD的敏感面和积分球内表面平齐，采用CCD工作波长的准直激光作为光源输入积分球进行标定；
1.3)功率计接在积分球上：将功率计探头接在和CCD接口对称的位置，在CCD的线性动态范围内采集一系列的图像和光功率值；以整幅图像灰度的均值
Figure F2009102184916C0000011
为纵坐标、光功率值为横坐标，绘出功率-灰度曲线图，选取CCD响应线性度好的区间图像作为进一步处理的图像；
1.4)CCD图像异常点剔除：根据步骤1.3)绘出图像的灰度直方图，求解标准差σ，将
Figure F2009102184916C0000012
或的像元作为像元响应的异常点，异常点灰度采用图像均值灰度
Figure F2009102184916C0000014
替代；
1.5)图像划分：将步骤1.4)结果图像采用像元合并的方式划分为不同的图像区域；
1.6)获得强度标准块：求解出步骤1.4)所得的每一个图像区域的灰度均值
Figure F2009102184916C0000015
Figure F2009102184916C0000016
测试精度要求高，则强度误差设置小，反之则反，例如可以设定标准块强度误差为1％)；
2)平行光场强度均匀性认定：
2.1)将经过校准的CCD器件置于平行光场中，使CCD器件可以沿光路方向进行上下、左右的平移，同时CCD器件可以绕其靶面的法线旋转；
2.2)对光场中选定区域进行均匀性测量：旋转CCD对光场中选定区域进行多次均匀性测试，获取其灰度值，若该灰度值在步骤1.6)步中设定的标准块的强度误差范围内，则认为该区域的光场是均匀的；
2.3)将CCD平移其靶面大小的一半距离，选定新的光场区域，重复步骤2.2)进行均匀性认定；
2.4)重复步骤2.3)使CCD靶面跑遍光场中的所有区域，进行整个光场的均匀性认定。
2.根据权利要求1所述基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法，其特征在于：所述步骤1.1)采用的积分球内表面球面积与接CCD的出口的面积之比大于100倍。
3.根据权利要求1或2所述基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定方法，其特征在于：采用强度标准块进一步降低CCD像元不一致响应的影响，所述标准块的灰度均值
Figure F2009102184916C0000021
是与整幅图像灰度的均值之间的强度误差小于1％。
4.一种基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定系统，其特征在于：该系统包括校准CCD装置和平行光场强度均匀性的认定装置，所述校准CCD装置包括积分球、光源输入积分球进行标定的光源和功率计，所述CCD与积分球连接，所述功率计探头接在和CCD接口对称的位置，所述平行光场强度均匀性的认定装置包括用于CCD旋转及平移的机构和待测平行光场的激光系统，所述CCD设置在CCD旋转及平移的机构上，所述CCD置于待测平行光场中。
5.根据权利要求4所述的基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定系统，其特征在于：所述CCD与积分球连接时，CCD的敏感面和积分球内表面平齐。
6.根据权利要求5所述的基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定系统，其特征在于：所述光源为CCD工作波长的准直激光器。
7.根据权利要求4或5或6所述的基于光场均匀性传递的平行光场强度均匀性的认定系统，其特征在于：所述积分球的内表面球面积与接CCD的出口的面积之比大于100倍。
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