CN1200453C - 一种电荷耦合器件响应线性度的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电荷耦合器件响应线性度的标定方法。本发明利用单色平面光照射衍射屏，并经傅立叶透镜会聚，用电荷耦合器件对傅立叶透镜后焦平面的光斑点阵进行采样，获得光斑点阵输出灰度值；分析由夫琅和费衍射理论计算出的光斑强度理论分布值与电荷耦合器件采样的输出灰度值，实现对电荷耦合器件响应线性度的标定。该方法具有调试容易，成本低的特点，便于工程实现。

Description

一种电荷耦合器件响应线性度的标定方法

                            技术领域

本发明涉及一种电荷耦合器件响应线性度的标定方法，尤其涉及一种通过测定电荷耦合器件输入光强与输出灰度值响应曲线进行电荷耦合器件响应线性度标定的方法。

                            背景技术

电荷耦合器件是一种新的光电转换器件，可以根据它的灰度输出变化探测其输入光强的变化，通常利用它的这种特性检测被控制对象。但由于电荷耦合器件响应的非线性，以及电荷耦合器件各象元之间的响应差异，需对电荷耦合器件响应线性度进行标定。目前电荷耦合器件响应线性度的标定主要有衰减法和分光束法。

衰减法是使光通过一组透过率不同的衰减片或通光口径不同的光阑，实现对入射光的定比调节，并使这组入射光进入电荷耦合器件，通过由此而得到的电荷耦合器件测定值标定电荷耦合器件的响应线性度。这种方法的缺陷在于需多次采样，因此标定精度受光源强度起伏影响较大。

分光束法是利用光楔的分光原理，在光楔的一面镀全反膜，一面镀分光膜，一束平行光经光楔多次反射后，形成一系列光强比一定的光束，再经一傅立叶透镜会聚，并使电荷耦合器件置于傅立叶透镜后焦面处，一次采样即可得到一组光强的响应值，由此可标定电荷耦合器件的响应线性度。这种方法的缺陷在于对光楔的加工、镀膜要求较高，光路不易调整，易引入较大的离轴像差影响焦平面上的光斑质量，从而影响标定精度。

                            发明内容

本发明的目的在于克服现有方法的不足而提供一种结构简单的标定电荷耦合器件响应线性度的方法。

为完成上述目的，本发明方法包括下列步骤：

制作狭缝衍射屏，选择衍射屏参数，使衍射的主极大宽度与待测电荷耦合器件的靶面尺寸相同；

将傅立叶透镜置于衍射屏后，并将待测电荷耦合器件置于傅立叶透镜的后焦平面位置；

利用一束单色平面光照射衍射屏，进行待测电荷耦合器件输出灰度值的采样，获得衍射光斑输出灰度值；

计算光斑强度理论分布值，并与待测电荷耦合器件采样的光斑输出灰度值比较，实现对待测电荷耦合器件响应线性度的标定。

本发明的方法还可以通过下列步骤完成：

所述的衍射屏可制作为多缝、单缝、矩孔或圆孔衍射屏；

所述的衍射屏制作为多缝衍射屏时，所述的获得衍射光斑是一系列点阵的的衍射光斑。

所述的衍射屏制作为单缝、矩孔、圆孔衍射屏时，所述的获得衍射光斑是一连续的衍射光斑。

本发明相对于现有方法有以下优点：利用双缝(单缝、多缝、矩孔或圆孔)衍射的光强分布可用夫琅和费衍射理论精确地给出，得到其分布的理论值。根据夫琅和费衍射和傅立叶透镜的变换性质，利用一束单色平面光照射衍射屏，用被测电荷耦合器件测量其衍射分布值，通过比较测量值与理论值的差异，得到被测电荷耦合器件的非线性偏差。由于这种方法采用的结构简单，故调试容易，便于工程实现。并且由于利用单色平面光光源，利于测试电荷耦合器件的均匀性。另外，由于通过一次曝光可得到一系列光强分布关系一定的采样值，从而使标定电荷耦合器件响应线性度避免了光源起伏的影响。尤其该方法不需要进行要求较高的光学加工，故成本较低。

                            附图说明

图1是本发明实施例的方法采用的光路结构图。

图2是本发明实施例的光斑强度理论分布图。

图3是本发明实施例的光斑点阵图。

                          具体实施方式

下面结合附图和实施例(选择双缝衍射屏)对本发明作进一步的说明。本发明实施例包括下列步骤：如图1所示，本发明实施例利用一束单色平面光照射双缝衍射屏1。单色平面光经双缝衍射屏1、傅立叶透镜2会聚至傅立叶透镜2的后焦平面。将待测定的电荷耦合器件3置于傅立叶透镜2的后焦平面位置，使电荷耦合器件3的靶面重合于傅立叶透镜2的后焦平面。

选择如下参数：傅立叶透镜2的焦距f＝1200mm，待测定的电荷耦合器件3的靶面3.2×2.4mm，入射的单色平面光的波长λ＝1.064μm。

根据单缝衍射的主极大的半宽度为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\λf}}{d}$

选择衍射屏参数：狭缝缝宽a＝0.4mm，使单缝衍射的主极大充满电荷耦合器件3的靶面。

根据双光束干涉两极大光斑的间距为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\λf}}{d}$

选择双缝距d＝10mm，使d＝ma(m＝1，2，3…n)，从而在傅立叶透镜2的后焦平面、亦即电荷耦合器件3的靶面上得到一组(m个)间距由狭缝中心距d确定、强度关系一定的光斑点阵，如图3所示。

进行电荷耦合器件3输出灰度值的采样，获得一系列光斑点阵输出的灰度值。

根据双缝夫琅和费衍射和傅立叶透镜的变换性质，导出电荷耦合器件3采样的光斑能量关系：

单色平面波垂直照明衍射屏，孔径平面的复振幅分布为：

$E\left(x_1\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{x_1-d/2}{a}\right)+\mathrm{rect}\left(\frac{x_1+d/2}{a}\right)$ ①

经透镜后，在焦平面形成的夫琅和费衍射花样的复振幅分布可由傅立叶变换求出：

$E\left(x\right)=F(E\left(x_1\right){)}_{u=x/\mathrm{\λf}}=F\left(\mathrm{rect}\left(\frac{x_1-d/2}{a}\right)\right)+F\left(\mathrm{rect}\left(\frac{x_1+d/2}{a}\right)\right)$ ②

由傅叶立变换的相移定理，②式可写为：

$E\left(x\right)=\exp (-i2\mathrm{\πu}\left(\frac{d}{2}\right))F\left(\mathrm{rect}(x_1/a)\right)+\exp (-i2\mathrm{\πu}(-d/2))F\left(\mathrm{rect}(x_1/d)\right)$

$=(\exp (-\mathrm{i\πud})+\exp \left(\mathrm{i\πud}\right))a\sin c\left(\mathrm{au}\right)$

$=2a\sin c\left(\frac{\mathrm{ax}}{\mathrm{\λf}}\right)\cos (\frac{\mathrm{\πxd}}{\mathrm{\λf}}{)}_{u=x/\mathrm{\λf}}$ ③

强度分布为：

$I\left(x\right)=|E\left(x\right){|}^2=I\left(0\right)\sin c^2\left(\frac{\mathrm{ax}}{\mathrm{\λf}}\right)\mathrm{co}{s}^2\left(\frac{\mathrm{\πxd}}{\mathrm{\λf}}\right)$ ④

(式中I(0)是衍射图样中心的强度分布)。

④式表明双缝衍射的强度分布为单缝衍射因子和双光束干涉因子共同作用的结果。图2所示为光斑的强度分布。

根据公式④计算光斑点阵的理论分布值。

分析光斑点阵的理论分布值和电荷耦合器件3采样的光斑点阵输出灰度值，实现对电荷耦合器件3响应线性度的标定。

Claims (4)

1、一种电荷耦合器件响应线性度的标定方法，其特征在于包括下列步骤：

制作狭缝衍射屏(1)，选择衍射屏参数，使衍射的主极大宽度与待测电荷耦合器件(3)的靶面尺寸相同；

将傅立叶透镜(2)置于所述衍射屏(1)后，并将所述待测电荷耦合器件(3)置于所述傅立叶透镜(2)的后焦平面位置；

利用一束单色平面光照射所述衍射屏(1)，进行所述待测电荷耦合器件(3)输出灰度值的采样，获得衍射光斑输出灰度值；

计算光斑强度理论分布值，并与所述待测电荷耦合器件(3)采样的衍射光斑输出灰度值比较，实现对所述待测电荷耦合器件(3)响应线性度的标定。

2、根据权利要求1所述的电荷耦合器件响应线性度的标定方法，其特征在于：所述的衍射屏(1)可制作为单缝、多缝、矩孔或圆孔衍射屏；

3、根据权利要求1所述的电荷耦合器件响应线性度的标定方法，其特征在于：所述的衍射屏(1)为多缝衍射屏时，所述的获得衍射光斑是一系列点阵的衍射光斑。

4、根据权利要求1所述的电荷耦合器件响应线性度的标定方法，其特征在于：所述的衍射屏(1)为单缝、矩孔、圆孔衍射屏时，所述的获得衍射光斑是一连续的衍射光斑。

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