探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置及其校正的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置及其校正的方法，該裝置包括依次設(shè)置的激光光源組件、耦合透鏡、光纖、容器和黑箱；容器內(nèi)設(shè)有散射介質(zhì)溶液，光纖插入散射介質(zhì)溶液中，黑箱內(nèi)設(shè)有待校準(zhǔn)的探測器，待校準(zhǔn)的探測器連接信號采集和處理模塊。該校正的方法：將激光光源組件射出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過耦合透鏡聚焦至光纖，光纖將激光從入射端面進(jìn)入散射介質(zhì)溶液中，散射介質(zhì)溶液對激光進(jìn)行體散射，散射光從出射端面透射入黑箱中，并在待校準(zhǔn)的探測器位置形成均勻光場；信號采集和處理模塊對試驗數(shù)據(jù)采集、處理，獲得校正數(shù)據(jù)。本發(fā)明實現(xiàn)探測器像素響應(yīng)非均勻的校正波長與實際激光測量系統(tǒng)的激光光源波長匹配；從而實現(xiàn)高精度的激光測量。
【專利說明】探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置及其校正的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光探測領(lǐng)域，具體涉及一種探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置及其校正的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在高精度激光測量設(shè)備中，常用面陣像素探測器測量光信號的分布變化，高精密的測量意味著面陣像素探測器必須能夠靈敏感應(yīng)光信號的微弱變化。然而，受限于半導(dǎo)體加工工藝的精度，大多數(shù)的面陣像素探測器的誤差比較嚴(yán)重，特別是像素光電響應(yīng)非均勻誤差，即相同光照條件下，不同像素的輸出信號不同，這將扭曲了實際測量中光場的變化。例如，在同步輻射光學(xué)元件面形檢測設(shè)備-長程面形儀中，為了達(dá)到0.1yrad rms的表面傾斜度測量精度，面陣探測器像素響應(yīng)的非均勻誤差要求小于0.5%rms (Yashchuk, 2006)，而一般探測器像素的非均勻誤差2-3%rms。產(chǎn)生具有一定均勻度的光場以校準(zhǔn)像素響應(yīng)的非均勻誤差是一項重要的工作。
[0003]在傳統(tǒng)的探測器非均勻誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)中，常用非相干光源，如LED、鹵素?zé)?。例如ALS 建立了 LED 校準(zhǔn)系統(tǒng)(Kirschman et al.，2007),對 CCD (Charge-coupled Device,電荷耦合元件)的校準(zhǔn)精度達(dá)到0.5% (之前為1.2-1.3%)。所使用的LED光源是最大光通量441m，校準(zhǔn)系統(tǒng)中LED距離待校正CXD的距離是670mm。
[0004]然而，這種探測器校正方案存在光譜響應(yīng)問題。CXD探測器的響應(yīng)是與波長有關(guān)的，或者說有一定的光譜特性。而在ALS的校準(zhǔn)方案中，使用的LED是寬光譜的光源。根據(jù)測試，其峰值位置變化范圍在620nm-645nm，典型值在627nm，光譜半寬度為20nm。因此，這種探測器像素響應(yīng)的非均勻誤差校正系統(tǒng)，必須使用窄光譜的激光光源所產(chǎn)生的光做校準(zhǔn)。然而，高相干的激光會在空間中形成散斑，無法滿足高精度測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0006]本發(fā)明實施例的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，以窄帶光譜激光作為勻場照明光源，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的光場均勻度，滿足高精度測量要求的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，包括依次設(shè)置的激光光源組件、耦合透鏡、光纖、容器、黑箱和信號采集和處理模塊；
[0009]所述容器內(nèi)設(shè)有散射介質(zhì)溶液，所述光纖一端插入散射介質(zhì)溶液中，所述黑箱用于放置待校準(zhǔn)的探測器，所述待校準(zhǔn)的探測器連接信號采集和處理模塊；[0010]所述激光光源組件，用于提供指定波長、穩(wěn)定功率和準(zhǔn)直的激光；
[0011]所述耦合透鏡，用于將激光光源組件提供的激光聚焦并耦合到光纖中；
[0012]所述光纖，用于將經(jīng)耦合透鏡的激光傳遞至散射介質(zhì)溶液內(nèi)部；
[0013]所述散射介質(zhì)溶液，用于散射光纖導(dǎo)出的激光；
[0014]所述黑箱，用于遮擋和吸收雜散光；
[0015]所述信號采集和處理模塊，用于對在待校準(zhǔn)的探測器位置形成的均勻光場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，得到校正數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明還提供一種使用上述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置進(jìn)行校正的方法，將激光光源組件射出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過所述耦合透鏡聚焦至所述光纖端面，所述光纖將耦合進(jìn)來的激光從所述容器的一個端面進(jìn)入所述散射介質(zhì)溶液中，所述散射介質(zhì)溶液中的納米顆粒對激光進(jìn)行體散射，散射光從所述容器的另一端面透射，進(jìn)入開孔的所述黑箱中，并在所述待校準(zhǔn)的探測器位置形成均勻光場；所述信號采集和處理模塊對在所述待校準(zhǔn)的探測器位置形成的均勻光場實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的采集、處理，最終獲得一組待校準(zhǔn)的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差的校正數(shù)據(jù)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]本發(fā)明以窄帶光譜激光作為勻場照明光源，能夠?qū)崿F(xiàn)探測器像素響應(yīng)非均勻的校正波長與實際激光測量系統(tǒng)的激光光源波長相匹配，實現(xiàn)非常高的光場均勻度，從而實現(xiàn)高精度的激光測量。
[0019]采用本發(fā)明的裝置，能夠提供一種高效的散斑抑制方法，且光能損失低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021]圖1為本發(fā)明實施例提供的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明實施例提供的容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明實施例提供的信號采集和處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]附圖標(biāo)記:
[0025]1-激光光源組件；2_耦合透鏡；3_光纖；4_散射介質(zhì)溶液；5_容器，51-入射端面,52-出射端面，53-上端面,54-第一側(cè)壁,55-第二側(cè)壁，56-下端面,57-第一通孔，58-第二通孔，59-第三通孔；6_黑箱，61-開孔；7_待校準(zhǔn)探測器；8_信號采集和處理模塊；
[0026]101-CCD驅(qū)動電路；102-數(shù)據(jù)采集卡；103-軟件程序；104-顯示屏。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0028]參見圖1，一種探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，包括依次設(shè)置的激光光源組件1、耦合透鏡2、光纖3、容器5、黑箱6和信號采集和處理模塊8 ；
[0029]容器5內(nèi)設(shè)有散射介質(zhì)溶液4，光纖3 —端插入散射介質(zhì)溶液4中，黑箱6用于放置待校準(zhǔn)的探測器7，待校準(zhǔn)的探測器7連接信號采集和處理模塊8 ；
[0030]激光光源組件1，用于提供指定波長、穩(wěn)定功率和準(zhǔn)直的激光；
[0031]耦合透鏡2，用于將激光光源組件I提供的激光聚焦并耦合到光纖3中；
[0032]光纖3，用于將經(jīng)耦合透鏡2的激光傳遞至散射介質(zhì)溶液4內(nèi)部；
[0033]散射介質(zhì)溶液4，用于散射光纖3導(dǎo)出的激光；
[0034]黑箱5，用于遮擋和 吸收雜散光；
[0035]信號采集和處理模塊8，用于對在待校準(zhǔn)的探測器7位置形成的均勻光場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，得到校正數(shù)據(jù)。
[0036]本發(fā)明通過設(shè)置激光的照射通道，實現(xiàn)窄帶光譜激光作為勻場照明光源，可以產(chǎn)生與實際應(yīng)用的激光測量裝置中激光光源光譜匹配的校正光場，適用于高精密的激光測量設(shè)備中探測器的校正。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的光場均勻度。
[0037]優(yōu)選地,光纖3為單模光纖或多模光纖；和/或；光纖3插入散射介質(zhì)溶液4的一端設(shè)有準(zhǔn)直透鏡。
[0038]本發(fā)明光纖的輸出端可以用準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直透鏡位于容器的散射介質(zhì)溶液中，固定在光纖的輸出端，也可以無準(zhǔn)直透鏡，而直接發(fā)散光入射，設(shè)置準(zhǔn)直透鏡可提高透光率。
[0039]參見圖2，圖2給出了容器5的具體結(jié)構(gòu)，容器5的入射端面51上設(shè)有第一通孔57，供所述光纖插入；容器5的上端面53設(shè)有第二通孔58和第三通孔59，第二通孔58供散射介質(zhì)溶液注入，第三通孔59供散射介質(zhì)溶液取出。
[0040]本發(fā)明第一通孔的口徑與光纖的口徑相同。設(shè)置通孔，便于光纖的插入，及散射介質(zhì)溶液的流入或流出。第二通孔58和第三通孔59分別連接管道，通過管道供散射介質(zhì)溶液的流入和流出。
[0041]優(yōu)選地,容器5的入射端面51、上端面53、第一側(cè)壁54、第二側(cè)壁55及下端面56的內(nèi)表面均鍍有反射膜；和/或；容器5的出射端面52為光學(xué)鏡片。
[0042]設(shè)置反射膜的設(shè)計可以有效提高光透過率。散射光出射端的出射端面為平滑的光學(xué)鏡片，透光率高，表面清潔。
[0043]本實例中，優(yōu)選地，入射端面51和出射端面52的尺寸為20mm*20mm，容器5長度為40mm,壁厚為1mm。第二通孔58和第三通孔59的直徑為1mm。
[0044]參見圖1，優(yōu)選地，散射介質(zhì)溶液4包括溶質(zhì)和溶劑，所述溶質(zhì)為折射率大、低吸收的納米顆粒；優(yōu)選折射率大于1.5 ;所述溶劑為具有較低的粘滯系數(shù)和吸收系數(shù)的物質(zhì)。
[0045]本發(fā)明中納米顆粒的材料與粒徑選擇需要考慮:
[0046](I)散射光場的退相干時間τ =、(r/L)2，計算，其中，L分別是透射自由程，漫散射時間和透射路徑長度，Ttl與粒徑成正比，1*可以通過Mie散射理論計算。
[0047]本發(fā)明在待校準(zhǔn)的探測器位置所產(chǎn)生的均勻光場的均勻度C可以根據(jù)散射顆粒布朗運動所引起的退相干時間τ和待校準(zhǔn)的探測器的曝光時間T計算，SP
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于: 包括依次設(shè)置的激光光源組件、耦合透鏡、光纖、容器、黑箱和信號采集和處理模塊； 所述容器內(nèi)設(shè)有散射介質(zhì)溶液，所述光纖一端插入散射介質(zhì)溶液中，所述黑箱用于放置待校準(zhǔn)的探測器，所述待校準(zhǔn)的探測器連接信號采集和處理模塊； 所述激光光源組件，用于提供指定波長、穩(wěn)定功率和準(zhǔn)直的激光； 所述耦合透鏡，用于將激光光源組件提供的激光聚焦并耦合到光纖中； 所述光纖，用于將經(jīng)耦合透鏡的激光傳遞至散射介質(zhì)溶液內(nèi)部； 所述散射介質(zhì)溶液，用于散射光纖導(dǎo)出的激光； 所述黑箱，用于遮擋和吸收雜散光； 所述信號采集和處理模塊，用于對在待校準(zhǔn)的探測器位置形成的均勻光場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，得到校正數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述光纖為單模光纖或多模光纖；和/或；所述光纖插入散射介質(zhì)溶液的一端設(shè)有準(zhǔn)直透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述容器的入射端面上設(shè)有第一通孔，供所述光纖插入；所述容器的上端面設(shè)有第二通孔和第三通孔，所述第二通孔供散射介質(zhì)溶液注入，所述第三通孔供散射介質(zhì)溶液取出；和/或；所述容器的入射端面、上端面、第一側(cè)壁、第二側(cè)壁及下端面的內(nèi)表面均鍍有反射膜；和/或；所述容器的出射端面為光學(xué)鏡片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述散射介質(zhì)溶液包括溶質(zhì)和溶劑，所述溶質(zhì)為折射率大、低吸收的納米顆粒；所述溶劑為具有較低的粘滯系數(shù)和吸收系數(shù)的物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述納米顆粒為TiO2納米顆粒、聚苯乙烯小球納米顆粒或SiC納米顆粒，粒徑范圍應(yīng)在50nm-500nm ;和/或；所述溶劑為去離子水、丙酮或乙醇；和/或；所述散射介質(zhì)溶液的溫度為20-100°C ;和/或；所述散射介質(zhì)溶液中納米顆粒的體積百分比為1_20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述黑箱的一側(cè)設(shè)有開孔，所述開孔與容器的出射端面相對設(shè)置；和/或，所述黑箱的材質(zhì)為吸光黑紙或黑布，所述開孔的面積及外圍輪廓與所述容器的出射端面相同；和/或，所述黑箱的寬度至少是所述容器的出射端面到所述待校準(zhǔn)探測器距離的2倍；和/或，所述容器的出射端面、開孔及所述待校準(zhǔn)探測器的中心位于同一條直線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述信號采集和處理模塊包括:CCD驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示屏；所述CCD驅(qū)動電路將電信號進(jìn)行信號放大處理后，被數(shù)據(jù)采集卡采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理，得到校正數(shù)據(jù)通過顯示屏顯示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于對數(shù)據(jù)采集卡輸出的多次采集結(jié)果取平均值，該平均值即為校正數(shù)據(jù)。
9.一種使用權(quán)利要求1-8任一項所述的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差校正裝置進(jìn)行校正的方法，其特征在于: 將激光光源組件射出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過所述耦合透鏡聚焦至所述光纖端面，所述光纖將耦合進(jìn)來的激光從所述容器的一個端面進(jìn)入所述散射介質(zhì)溶液中，所述散射介質(zhì)溶液中的納米顆粒對激光進(jìn)行體散射，散射光從所述容器的另一端面透射，進(jìn)入開孔的所述黑箱中，并在所述待校準(zhǔn)的探測器位置形成均勻光場；所述信號采集和處理模塊對在所述待校準(zhǔn)的探測器位置形成的均勻光場實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的采集、處理，最終獲得一組待校準(zhǔn)的探測器像素響應(yīng)非均勻誤差的校正數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要 求9所述的校正的方法，其特征在于:所述信號采集和處理模塊對所述待校準(zhǔn)的探測器位置形成的均勻光場進(jìn)行多次測量；獲得的第j個像素的校正數(shù)據(jù)是對應(yīng)該像素點多次測量數(shù)據(jù)的平均值h，所述待校準(zhǔn)的探測器的探測信號強(qiáng)度為Ip則真實的光場信號為IOj=Vajtj
【文檔編號】G01N21/00GK103983571SQ201410148101
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】楊福桂, 李明, 盛偉繁 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所