CN102288385A - 一种二维成像器件光电响应特性标定方法 - Google Patents

Abstract

一种二维成像器件光电响应特性标定方法，包括线衍射光栅、聚焦光学系统、待标定的二维成像器件和计算机系统，用于二维成像器件标定的入射光束为平行平面光束，经线衍射光栅的空间强度调制和聚焦光学系统的会聚后成像于二维成像器件光敏面上，线衍射光栅的分束特性使得入射光束在二维成像器件光敏面上形成一系列光强度被调制的衍射子光斑，通过各衍射子光斑的峰值测量数据与理论计算所得到的峰值理论数据，对多组测量数据进行融合，得到测量数据及其对应的理论数据，拟合两组数据完成对二维成像器件光电响应特性的标定。本发明光能利用率高，不仅适用于较强光源情况下的二维成像器件光电响应特性的标定，对较弱光源也是适用的；多组测量数据的融合扩大了标定的范围。

Description

一种二维成像器件光电响应特性标定方法

技术领域

本发明涉及二维成像器件光电响应特性的标定，特别是一种基于光栅分束特性的二维成像器件光电响应特性的标定方法。

背景技术

高分辨率二维成像器件，如CCD器件，具有光电转换特性好、灵敏度高、动态范围大以及体积小等诸多优点，已成为激光领域测量激光束参数的核心器件，然而在实际应用中，受限于成像器件有限的线性响应范围(动态范围)，在测量激光束参数之前通常需要先就器件对该波长激光的光电响应特性进行标定，以便在测量过程中对激光强度进行适当的衰减和测量结束后对所测数据作合理的修正处理。

传统的对CCD器件光电响应特性的标定是基于能量卡计的标定方法，如张震在学位论文，“可见光CCD的激光辐照效应实验研究”，2005，采用分光器件将入射激光分为两束，一束光用标准能量卡计检测激光功率，另一束光用CCD记录其输出，通过调节入射激光的功率或加入不同衰减倍率的滤光片改变进入CCD和能量卡计的功率，就可以得到能量卡计和CCD输出灰度之间的一组对应数据，从而标定出CCD的光电响应特性。该标定方法虽然操作简单，但不足在于标定工作需要多次曝光采样，而且基于绝对能量测量的标定方法也存在较大的误差。

国内李恩德等，在文章“电荷耦合器件光电响应特性标定研究”强激光与粒子束，Vol.18，No.2，2006，提出基于小孔衍射的CCD光电响应特性的标定方法，入射的平行平面光束经小孔后由长焦透镜聚焦于CCD光敏面上，利用小孔衍射图像的零级谱的能量相对分布作为CCD能量的标准参考输入，依据最小二乘拟合准则，根据CCD的灰度输出标定出其响应特性。国内王淑青等，在文章“双缝衍射用于CCD响应特性的模拟研究”光电工程，Vol.28，No.4，2001，提出基于双缝衍射的CCD器件光电响应特性的标定方法，其基本原理与基于小孔衍射标定方法类似，不同之处在于它是以双缝衍射图样的各个条纹的峰值灰度作为标准参考输入。基于小孔衍射和双缝衍射的CCD标定方法的优点在于标定工作只需单次曝光，可用的CCD采样数据点较多，但不足之处在于，为了在CCD光敏面上得到较多的采样数据点，要求小孔或双缝的尺寸比较小，这导致上述两种方法的光能利用率均比较低，不能实现较大范围的标定，尤其在标定光源较弱时无法使用。

国内谢旭东等，在文章“CCD系统线性动态范围的标定”强激光与粒子束，Vol.12，No.s1，2000，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减倍率的子光斑，利用各子光斑峰值的测量灰度值与理论值之间的对应关系，完成CCD的标定，此方法光能利用率高，但不足在于可用于标定的采样点数较少。

国外也有一些学者提出过许多标定CCD光电响应特性的方法，但基本思路与标准能量卡计的标定思路类似，如Bennett H E等，在文章“Accurate method for determiningphotometric linearity”APPLIED OPTICS，Vol.5，No.8，1966，利用偏振片对光强的调制来改变进入CCD的光能量；还有Swyt D A等，在文章“Inverse-fourth apparatusfor photometric calibrations”Review Science Instrument，Vol.49，No.8，1978，利用点光源的距离平方反比定律，使光源与CCD的距离由小变大来改变进入CCD的光能量。以上这些方法均需要多次曝光完成，并且测量结果受能量测量以及其它一些辅助量测量精度的影响较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有标定方法的不足，提供一种二维成像器件光电响应特性标定方法，具有光能利用率高、标定范围宽等优点。

本发明的技术解决方案：一种二维成像器件光电响应特性的标定方法，利用线衍射光栅的分束特性，使入射光束在二维成像器件光敏面上形成一系列光强度被调制的衍射子光斑，通过各衍射子光斑的峰值测量数据与理论计算所得到的峰值理论数据，对多组测量数据进行融合，得到测量数据及其对应的理论数据，拟合两组数据完成对二维成像器件光电响应特性的标定。

本发明具体实现为：标定装置包括：线衍射光栅、聚焦光学系统、待标定的二维成像器件和计算机系统。其中，线衍射光栅和聚焦光学系统密接放置。如图2所示，一维线衍射光栅的光栅常数为d，每个狭缝的宽度为a，透过率函数沿某一方向被周期性调制，聚焦光学系统外径D，中心挡板直径为εD(ε为中心遮拦比)。标定方法分为以下五步：

步骤1：入射的平行平面光束经线衍射光栅空间强度调制和聚焦光学系统会聚后，通过调整二维成像器件光敏面在聚焦光学系统焦平面上的位置，使得在二维成像器件的光敏面上形成一系列峰值强度被光栅参数调制的衍射子光斑零级、+1级、+2级…+(n-1)级，或零级、-1级、-2级…-(n-1)级，n为在二维成像器件光敏面上所形成的衍射子光斑的数目；

步骤2：计算机系统采集二维成像器件输出的数据，假设测得的各衍射级子光斑峰值光强数据构成数组(u₁，u₂，…u_n)，各衍射子光斑的峰值理论比例系数构成数组(p₁，p₂，...p_n)，各衍射级子光斑峰值理论真实值构成数组(p₁v，p₂v，…p_nv)，v为常数；

步骤3：设二维成像器件对该波长激光的线性响应区至少包括数值范围[G_min G_max]，那么由[G_min G_max]内的测量数据

及其对应的理论真实数据 通过最小二乘拟合方法求得常数v，

从而得到测量数据(u₁，u₂，…u_n)及理论真实数据(p₁v，p₂v，…p_nv)两组数据间的一一对应关系；

步骤4：改变入射激光的功率或在保持激光输出功率不变的情况下使用不同结构参数的光栅，以得到覆盖二维成像器件不同输出范围的测量数据；

步骤5：将所有的测量数据和理论真实数据分别融合在一起，拟合以上两组数据，最终完成对二维成像器件光电响应特性的标定。

所述步骤2在二维成像器件光敏面上形成的一系列衍射子光斑的峰值理论比例系数构成的数组确定方法如下：采用单位振幅的平行平面光束照明，在D/d＞＞1时，远场衍射花样各衍射级彼此交叠可以忽略，焦面上点(x，y)处衍射场强度分布由下面公式给出：

$I(x,y)={\left(\frac{{\mathrm{\πaD}}^2}{4\mathrm{\λfd}}\right)}^2\·\underset{n=-\∞}{\overset{n=\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin c^2\left(\frac{\mathrm{an}}{d}\right)$

$\·{[\frac{J_1\left(\mathrm{\πD}\sqrt{{(\frac{x}{\mathrm{\λf}}-\frac{n}{d})}^2+{\left(\frac{y}{\mathrm{\λf}}\right)}^2}\right)}{\mathrm{\πD}\sqrt{{(\frac{x}{\mathrm{\λf}}-\frac{n}{d})}^2+{\left(\frac{y}{\mathrm{\λf}}\right)}^2}}-{\mathrm{\ϵ}}^2\frac{J_1\left(\mathrm{\π\ϵD}\sqrt{{(\frac{x}{\mathrm{\λf}}-\frac{n}{d})}^2+{\left(\frac{y}{\mathrm{\λf}}\right)}^2}\right)}{\mathrm{\π\ϵD}\sqrt{{(\frac{x}{\mathrm{\λf}}-\frac{n}{d})}^2+{\left(\frac{y}{\mathrm{\λf}}\right)}^2}}]}^2$

式中，J1(.)为第一类的一阶贝塞尔函数，f为聚焦光学系统的焦距，λ为激光波长，d为光栅常数，a为狭缝宽度，n为衍射级数。

由上面的公式可以看出，各个衍射级的峰值理论比例系数由系数sin c²(an/d)决定，因此，只要知道了光栅常数d、狭缝宽度a以及衍射级数n，就可以完全确定不同衍射级间峰值光强的比例系数数组(p₁，p₂，...p_n)＝(1∶sinc²(a/d)∶…∶sinc²[(n-1)a/d])。图3为由线衍射光栅和聚焦光学系统共同限制得到的入射光束近场分布示意图，图4为远场衍射花样的剖面图。

所述的线衍射光栅的结构参数(光栅尺寸L、光栅常数d和光栅狭缝宽度a)在标定之前要根据入射激光的口径、波长、聚焦光学系统的参数(聚焦光学系统外径D，中心挡板直径为εD、焦距f)以及二维成像器件的相关参数(光敏单元尺寸以及光敏单元的数目)事先确定好，具体的确定方法如下：

(1)光栅尺寸L的选择

受限于聚焦光学系统的结构，光栅尺寸大小只能在聚焦系统入射端内、外口径范围之间进行调整。光栅的尺寸越小，对入射光束截断效应也越大，光能利用率下降，并且焦面上单个衍射级的能量弥散的也越开，这对二维成像器件的标定是不利的，因此选择聚焦系统的外径尺寸作为衍射光栅的边长较好。

(2)光栅常数d的选取

光栅周期d决定了各个衍射级中心的间隔，d越大，相邻衍射级会发生强度交叠，d越小，相邻衍射级彼此独立。当相邻衍射级不存在能量交叠时，每一个衍射级的光强分布为中心遮拦比ε的环形平面光束的远场衍射图样，假设单个衍射级的绝大部分能量分布在以衍射子光斑质心为中心、半径为αλf/D的区域内，从而可以认为只要相邻衍射级中心间隔大于2αλf/D，即D/d＞2α，也就是d＜D/2α时，相邻衍射级之间光强的交叠效应可以忽略。

(3)光栅狭缝宽度a的选取

相邻衍射级的间隔为λf/d，二维成像器件光敏面水平和垂直方向较长的一维长度为1，为了使一次测量数据尽可能多的同时覆盖CCD较大和较小的灰度范围，要求sinc²(an/d)函数的第一暗环半径小于二维成像器件的光敏面较长边尺寸大小，即

λf/a-λf/d＜l，则a＞λfd/(ld+λf)。

所述的用于对入射光束聚焦的聚焦光学系统可以为反射式卡塞格林聚焦系统，也可以是其它聚焦系统，如聚焦透镜等。

所述的光栅为线衍射光栅，密接聚焦光学系统前放置，光栅线条刻画方向根据二维成像器件光敏面水平和竖直方向的尺寸而定，可以将光栅的线条刻划朝向保持水平，也可以保持竖直或成特定角度放置，目的是能够充分利用CCD相机的光敏元。

所述的待标定的二维成像器件可以为CCD器件，也可以是CMOS器件等。

本发明与现有技术相比有如下优点：本发明具有光能利用率高、标定范围宽等特点。之前人们提出的标定二维成像器件(如CCD器件)光电响应特性的各种方法不能同时兼顾足够采样点数目和光能利用率两方面的要求，导致标定结果要么误差较大，要么标定范围有限；而本发明采用线衍射光栅作为分光元件，线衍射光栅的多缝结构是对双缝的拓展，提高了光能利用率，通过有效的方法只需对几组数据进行融合，就可以保证足够多的采样点数目要求，扩大了成像器件的标定范围，实现二维成像器件光电响应特性的绝对标定。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为线衍射光栅的结构示意图；

图3为线衍射光栅和反射式聚焦光学系统决定的入射光束近场分布；

图4为远场衍射花样的剖面图；

图5为光栅参数为d＝10mm、a＝2mm时远场衍射花样的计算结果；

图6为光栅参数为d＝10mm、a＝2mm时CCD采集到的远场衍射花样；

图7为光栅参数为d＝18mm、a＝5mm时远场衍射花样的计算结果；

图8为光栅参数为d＝18mm、a＝5mm时CCD采集到的远场衍射花样；

图9为光栅参数为d＝15mm、a＝5mm时远场衍射花样的计算结果；

图10为光栅参数为d＝15mm、a＝5mm时CCD采集到的远场衍射花样；

图11为本发明实施例红外CCD相机对某一红外激光束光电响应特性的标定结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例包括：线衍射光栅1、聚焦光学系统2、待标定的二维成像器件3和计算机系统4。其中，线衍射光栅1和聚焦光学系统2密接放置。线衍射光栅1的分束特性使得入射光束在二维成像器件3的光敏面上形成一系列光强度被调制的衍射子光斑，通过各衍射子光斑的峰值测量数据与理论计算所得到的峰值理论数据，对多组测量数据进行融合，得到测量数据及其对应的理论数据，拟合两组数据完成对二维成像器件光电响应特性的标定。

具体实施例：标定一种特性未知的红外CCD相机对某一红外激光的光电响应特性。入射光束为口径φ＝120mm的平行平面光束，聚焦光学系统2采用反射式卡塞格林系统，入射端外径D＝120mm，中心遮拦比为ε＝0.42，有效焦距f＝2.47m，CCD光敏面的像素数为128×128，单个像素的尺寸为30μm×30μm，数字信号输出为14bit，根据该红外CCD相机的基本情况和经验，该CCD对待测量波长光的线性响应区至少包含的灰度值范围为1000～4000ADU，线衍射光栅刻划方向朝竖直方向密接聚焦光学系统前放置。由以上参数，要求光栅的结构参数应满足：d＜18.2mm，a＞d/(436d+1)，标定中选择的参数列于下表1：

表1光栅参数

Table 1 Parameters of diffraction Gratings

标定过程中依次使用以上三种结构参数的光栅，对每一种光栅，通过改变入射激光的功率，可以在CCD光敏面上获得一系列衍射子光斑，如图5～10所示，对每一个衍射子光斑的峰值灰度值是通过在相同测量条件下由多帧衍射花样的分布取统计平均得到的，对测量数据和其对应的理论灰度数据进行拟和，最终完成该红外CCD相机光电响应特性的标定，标定结果由图11所示，拟和表达式由下面式子给出：

$I_m=-4.774\×{10}^{-5}{I}_t^2+1.21\·I_t-131$

上面公式中I_m、I_t分别为CCD测得的灰度值和理论真实的灰度值。

由标定结果可以看出，在CCD测量灰度值不超过5000ADU时，测量值与理论真实值之间近似服从线性关系，但是当测量灰度值超过5000ADU之后，测量值与理论值之间的线性关系变差，随着入射激光能量灰度的增加，CCD的光电响应逐渐趋于饱和，此外，该CCD相机对激光的光电响应存在“死区”，当入射光的能量灰度小于110ADU时，CCD并没有信号输出，这种结果是用其它标定方法很难得到的。

Claims (4)

1.一种二维成像器件光电响应特性标定方法，其特征在于：标定装置包括：线衍射光栅(1)、用于对入射光束聚焦的聚焦光学系统(2)、待标定的二维成像器件(3)和计算机系统(4)，其中线衍射光栅(1)靠近聚焦光学系统(2)的入射端口密接放置，标定方法如下：

步骤1：入射的平行平面光束经线衍射光栅空间强度调制和聚焦光学系统会聚后，通过调整二维成像器件光敏面在聚焦光学系统焦平面上的位置，使得在二维成像器件的光敏面上形成一系列峰值强度被光栅参数调制的衍射子光斑零级、+1级、+2级…+(n-1)级，或零级、-1级、-2级…-(n-1)级，n为在二维成像器件光敏面上所形成的衍射子光斑的数目；

步骤2：计算机系统(4)采集二维成像器件(3)输出的数据，假设测得的各衍射级子光斑峰值光强数据构成数组(u₁，u₂，…u_n)，各衍射子光斑的峰值理论比例系数构成数组(p₁，p₂，...p_n)，各衍射级子光斑峰值理论真实值构成数组(p₁v，p₂v，…p_nv)，v为常数；

步骤3：设二维成像器件(3)对该波长激光的线性响应区至少包括数值范围[GminGmax]，那么由[Gmin Gmax]内的测量数据

及其对应的理论真实数据

通过最小二乘拟合方法求得常数v，从而得到测量数据(u₁，u₂，…u_n)及理论真实数据(p₁v，p₂v，…p_nv)两组数据间的一一对应关系；

步骤4：改变入射激光的功率或在保持激光输出功率不变的情况下使用不同结构参数的光栅，以得到覆盖二维成像器件(3)不同输出范围的测量数据；

步骤5：将所有的测量数据和理论真实数据分别融合在一起，拟合以上两组数据，最终完成对二维成像器件(3)光电响应特性的标定。

2.根据权利要求1所述的一种二维成像器件光电响应特性标定方法，其特征在于：所述聚焦光学系统(2)为反射式卡塞格林聚焦系统或聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的一种二维成像器件光电响应特性标定方法，其特征在于：所述的线衍射光栅(1)的光栅线条刻画朝向根据二维成像器件光敏面水平和垂直方向上的尺寸而定，可以将光栅的线条刻划方向保持水平，也可以保持竖直或成一特定角度放置，目的是能够充分利用二维成像器件的光敏元。

4.根据权利要求1所述的一种二维成像器件光电响应特性标定方法，其特征在于：所述待标定的二维成像器件为CCD器件或CMOS器件。

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