CN103983571A - 探测器像素响应非均匀误差校正装置及其校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测器像素响应非均匀误差校正装置及其校正的方法，该装置包括依次设置的激光光源组件、耦合透镜、光纤、容器和黑箱；容器内设有散射介质溶液，光纤***散射介质溶液中，黑箱内设有待校准的探测器，待校准的探测器连接信号采集和处理模块。该校正的方法：将激光光源组件射出的准直激光经过耦合透镜聚焦至光纤，光纤将激光从入射端面进入散射介质溶液中，散射介质溶液对激光进行体散射，散射光从出射端面透射入黑箱中，并在待校准的探测器位置形成均匀光场；信号采集和处理模块对试验数据采集、处理，获得校正数据。本发明实现探测器像素响应非均匀的校正波长与实际激光测量***的激光光源波长匹配；从而实现高精度的激光测量。

Description

探测器像素响应非均匀误差校正装置及其校正的方法

技术领域

本发明涉及一种激光探测领域，具体涉及一种探测器像素响应非均匀误差校正装置及其校正的方法。

背景技术

在高精度激光测量设备中，常用面阵像素探测器测量光信号的分布变化，高精密的测量意味着面阵像素探测器必须能够灵敏感应光信号的微弱变化。然而，受限于半导体加工工艺的精度，大多数的面阵像素探测器的误差比较严重，特别是像素光电响应非均匀误差，即相同光照条件下，不同像素的输出信号不同，这将扭曲了实际测量中光场的变化。例如，在同步辐射光学元件面形检测设备-长程面形仪中，为了达到0.1μrad rms的表面倾斜度测量精度，面阵探测器像素响应的非均匀误差要求小于0.5%rms(Yashchuk,2006)，而一般探测器像素的非均匀误差2-3%rms。产生具有一定均匀度的光场以校准像素响应的非均匀误差是一项重要的工作。

在传统的探测器非均匀误差校准***中，常用非相干光源，如LED、卤素灯。例如ALS建立了LED校准***(Kirschman et al.,2007)，对CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）的校准精度达到0.5%（之前为1.2-1.3%）。所使用的LED光源是最大光通量44lm，校准***中LED距离待校正CCD的距离是670mm。

然而，这种探测器校正方案存在光谱响应问题。CCD探测器的响应是与波长有关的，或者说有一定的光谱特性。而在ALS的校准方案中，使用的LED是宽光谱的光源。根据测试，其峰值位置变化范围在620nm-645nm，典型值在627nm，光谱半宽度为20nm。因此，这种探测器像素响应的非均匀误差校正***，必须使用窄光谱的激光光源所产生的光做校准。然而，高相干的激光会在空间中形成散斑，无法满足高精度测量的要求。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单，以窄带光谱激光作为匀场照明光源，能够实现非常高的光场均匀度，满足高精度测量要求的探测器像素响应非均匀误差校正装置。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种探测器像素响应非均匀误差校正装置，包括依次设置的激光光源组件、耦合透镜、光纤、容器、黑箱和信号采集和处理模块；

所述容器内设有散射介质溶液，所述光纤一端***散射介质溶液中，所述黑箱用于放置待校准的探测器，所述待校准的探测器连接信号采集和处理模块；

所述激光光源组件，用于提供指定波长、稳定功率和准直的激光；

所述耦合透镜，用于将激光光源组件提供的激光聚焦并耦合到光纤中；

所述光纤，用于将经耦合透镜的激光传递至散射介质溶液内部；

所述散射介质溶液，用于散射光纤导出的激光；

所述黑箱，用于遮挡和吸收杂散光；

所述信号采集和处理模块，用于对在待校准的探测器位置形成的均匀光场进行数据采集和处理，得到校正数据。

本发明还提供一种使用上述的探测器像素响应非均匀误差校正装置进行校正的方法，将激光光源组件射出的准直激光经过所述耦合透镜聚焦至所述光纤端面，所述光纤将耦合进来的激光从所述容器的一个端面进入所述散射介质溶液中，所述散射介质溶液中的纳米颗粒对激光进行体散射，散射光从所述容器的另一端面透射，进入开孔的所述黑箱中，并在所述待校准的探测器位置形成均匀光场；所述信号采集和处理模块对在所述待校准的探测器位置形成的均匀光场实现试验数据的采集、处理，最终获得一组待校准的探测器像素响应非均匀误差的校正数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以窄带光谱激光作为匀场照明光源，能够实现探测器像素响应非均匀的校正波长与实际激光测量***的激光光源波长相匹配，实现非常高的光场均匀度，从而实现高精度的激光测量。

采用本发明的装置，能够提供一种高效的散斑抑制方法，且光能损失低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的探测器像素响应非均匀误差校正装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的容器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的信号采集和处理模块的结构框图。

附图标记：

1-激光光源组件；2-耦合透镜；3-光纤；4-散射介质溶液；5-容器，51-入射端面，52-出射端面，53-上端面，54-第一侧壁，55-第二侧壁，56-下端面，57-第一通孔，58-第二通孔，59-第三通孔；6-黑箱，61-开孔；7-待校准探测器；8-信号采集和处理模块；

101-CCD驱动电路；102-数据采集卡；103-软件程序；104-显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种探测器像素响应非均匀误差校正装置，包括依次设置的激光光源组件1、耦合透镜2、光纤3、容器5、黑箱6和信号采集和处理模块8；

容器5内设有散射介质溶液4，光纤3一端***散射介质溶液4中，黑箱6用于放置待校准的探测器7，待校准的探测器7连接信号采集和处理模块8；

激光光源组件1，用于提供指定波长、稳定功率和准直的激光；

耦合透镜2，用于将激光光源组件1提供的激光聚焦并耦合到光纤3中；

光纤3，用于将经耦合透镜2的激光传递至散射介质溶液4内部；

散射介质溶液4，用于散射光纤3导出的激光；

黑箱5，用于遮挡和吸收杂散光；

信号采集和处理模块8，用于对在待校准的探测器7位置形成的均匀光场进行数据采集和处理，得到校正数据。

本发明通过设置激光的照射通道，实现窄带光谱激光作为匀场照明光源，可以产生与实际应用的激光测量装置中激光光源光谱匹配的校正光场，适用于高精密的激光测量设备中探测器的校正。该装置结构简单，能够实现非常高的光场均匀度。

优选地，光纤3为单模光纤或多模光纤；和/或；光纤3***散射介质溶液4的一端设有准直透镜。

本发明光纤的输出端可以用准直透镜准直光束，准直透镜位于容器的散射介质溶液中，固定在光纤的输出端，也可以无准直透镜，而直接发散光入射，设置准直透镜可提高透光率。

参见图2，图2给出了容器5的具体结构，容器5的入射端面51上设有第一通孔57，供所述光纤***；容器5的上端面53设有第二通孔58和第三通孔59，第二通孔58供散射介质溶液注入，第三通孔59供散射介质溶液取出。

本发明第一通孔的口径与光纤的口径相同。设置通孔，便于光纤的***，及散射介质溶液的流入或流出。第二通孔58和第三通孔59分别连接管道，通过管道供散射介质溶液的流入和流出。

优选地，容器5的入射端面51、上端面53、第一侧壁54、第二侧壁55及下端面56的内表面均镀有反射膜；和/或；容器5的出射端面52为光学镜片。

设置反射膜的设计可以有效提高光透过率。散射光出射端的出射端面为平滑的光学镜片，透光率高，表面清洁。

本实例中，优选地，入射端面51和出射端面52的尺寸为20mm*20mm，容器5长度为40mm，壁厚为1mm。第二通孔58和第三通孔59的直径为1mm。

参见图1，优选地，散射介质溶液4包括溶质和溶剂，所述溶质为折射率大、低吸收的纳米颗粒；优选折射率大于1.5；所述溶剂为具有较低的粘滞系数和吸收系数的物质。

本发明中纳米颗粒的材料与粒径选择需要考虑：

（1）散射光场的退相干时间τ＝τ₀(l^*/L)²,计算，其中l^*，τ₀，L分别是透射自由程，漫散射时间和透射路径长度，τ₀与粒径成正比，l^*可以通过Mie散射理论计算。

本发明在待校准的探测器位置所产生的均匀光场的均匀度C可以根据散射颗粒布朗运动所引起的退相干时间τ和待校准的探测器的曝光时间T计算，即

$C=\sqrt{\mathrm{\τ}/4T}$

（2）光透过率溶质的选择依据应在保证一定光透过率T的前提下，降低退相干时间。为此，应选择折射率大、低吸收的纳米颗粒，颗粒粒径范围在50nm-500nm范围内。

优选地，所述纳米颗粒为TiO₂纳米颗粒、苯乙烯小球纳米颗粒或SiC纳米颗粒，粒径范围应在50nm-500nm；和/或；所述溶剂为去离子水、丙酮或乙醇；和/或；所述散射介质溶液的温度为20-100℃；和/或；所述散射介质溶液中纳米颗粒的体积百分比为1-20%。散射介质溶液4以将容器5充满为宜。

优选的，散射介质溶液的溶质为TiO₂纳米颗粒，折射率为2.584，粒径为100nm，溶剂为去离子水，纳米颗粒的体积百分比为1.6%，采用此散射介质溶液，透射光的路径长度1mm，光场均匀度高于1‰。

参见图1和图2，优选地，黑箱6的一侧设有开孔61，开孔61与容器5的出射端面52相对设置；和/或，黑箱6的材质为吸光黑纸或黑布，开孔61的面积及***轮廓与所述容器的出射端面相同；黑箱6的宽度至少是容器的出射端面52到待校准探测器7距离的2倍；和/或，容器的出射端面52、开孔61及所述待校准探测器的中心位于同一条直线上。

本发明中黑箱的入射端口，即开孔与所述容器的出射端面的尺寸相匹配;保证了透光率，其中，沿着激光透过的方向为黑箱的长度方向，垂直长度方向的水平方向为黑箱的宽度所在方向，黑箱的宽度至少是容器的出射端面到待校准探测器距离的2倍，以有效阻止黑箱侧壁的散射光被探测器所探测。

参见图3，示意性给出了测量装置嵌入式信号处理模块框图，信号采集和处理模块8包括：CCD驱动电路101、数据采集卡102、数据处理模块103及显示屏104；CCD驱动电路101将电信号进行信号放大等处理后，被数据采集卡102采集及模数转换后，再经数据处理模块103处理，得到校正数据通过显示屏104显示。其中，数据处理模块103，用于对数据采集卡输出的多次采集结果取平均值a_j，该平均值即为校正数据。

本发明通过信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理，最终获得一组待校准的探测器像素响应非均匀误差的校正数据。为了消除光子噪声、读出噪声等噪声所引起的光信号的随机扰动，***对产生的散射光场进行多次测量。最终获得的第j个像素的校正数据是对应该像素点多次测量数据的平均值a_j。实际应用中，待校准的探测器的探测信号强度为I_j，则校正后真实光场信号强度为I0_j=I_j/a_j。

本发明还提供了使用上述的探测器像素响应非均匀误差校正装置进行校正的方法，将激光光源组件射出的准直激光经过所述耦合透镜聚焦至所述光纤端面，所述光纤将耦合进来的激光从所述容器的一个端面进入所述散射介质溶液中，所述散射介质溶液中的纳米颗粒对激光进行体散射，散射光从所述容器的另一端面透射，进入开孔的所述黑箱中，并在所述待校准的探测器位置形成均匀光场；所述信号采集和处理模块对在所述待校准的探测器位置形成的均匀光场实现试验数据的采集、处理，最终获得一组待校准的探测器像素响应非均匀误差的校正数据。

在探测器校正过程中，保证容器中散射介质溶液4温度稳定，如维持在20-100℃。较高的温度有利于提升纳米颗粒的布朗运动速度，进一步降低光场的相干性。

优选地，所述信号采集和处理模块对所述待校准的探测器位置形成的均匀光场进行多次测量；获得的第j个像素的校正数据是对应该像素点多次测量数据的平均值a_j，该值即为校正数据。在实际测量应用中，所述校准的探测器的探测信号强度为I_j，则真实的光场信号I0_j=I_j/a_j。

在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：

包括依次设置的激光光源组件、耦合透镜、光纤、容器、黑箱和信号采集和处理模块；

所述容器内设有散射介质溶液，所述光纤一端***散射介质溶液中，所述黑箱用于放置待校准的探测器，所述待校准的探测器连接信号采集和处理模块；

所述激光光源组件，用于提供指定波长、稳定功率和准直的激光；

所述耦合透镜，用于将激光光源组件提供的激光聚焦并耦合到光纤中；

所述光纤，用于将经耦合透镜的激光传递至散射介质溶液内部；

所述散射介质溶液，用于散射光纤导出的激光；

所述黑箱，用于遮挡和吸收杂散光；

所述信号采集和处理模块，用于对在待校准的探测器位置形成的均匀光场进行数据采集和处理，得到校正数据。

2.根据权利要求1所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述光纤为单模光纤或多模光纤；和/或；所述光纤***散射介质溶液的一端设有准直透镜。

3.根据权利要求1所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述容器的入射端面上设有第一通孔，供所述光纤***；所述容器的上端面设有第二通孔和第三通孔，所述第二通孔供散射介质溶液注入，所述第三通孔供散射介质溶液取出；和/或；所述容器的入射端面、上端面、第一侧壁、第二侧壁及下端面的内表面均镀有反射膜；和/或；所述容器的出射端面为光学镜片。

4.根据权利要求1所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述散射介质溶液包括溶质和溶剂，所述溶质为折射率大、低吸收的纳米颗粒；所述溶剂为具有较低的粘滞系数和吸收系数的物质。

5.根据权利要求4所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述纳米颗粒为TiO₂纳米颗粒、聚苯乙烯小球纳米颗粒或SiC纳米颗粒，粒径范围应在50nm-500nm；和/或；所述溶剂为去离子水、丙酮或乙醇；和/或；所述散射介质溶液的温度为20-100℃；和/或；所述散射介质溶液中纳米颗粒的体积百分比为1-20%。

6.根据权利要求1所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述黑箱的一侧设有开孔，所述开孔与容器的出射端面相对设置；和/或，所述黑箱的材质为吸光黑纸或黑布，所述开孔的面积及***轮廓与所述容器的出射端面相同；和/或，所述黑箱的宽度至少是所述容器的出射端面到所述待校准探测器距离的2倍；和/或，所述容器的出射端面、开孔及所述待校准探测器的中心位于同一条直线上。

7.根据权利要求1所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述信号采集和处理模块包括：CCD驱动电路、数据采集卡、数据处理模块及显示屏；所述CCD驱动电路将电信号进行信号放大处理后，被数据采集卡采集及模数转换后，再经数据处理模块处理，得到校正数据通过显示屏显示。

8.根据权利要求7所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置，其特征在于：所述数据处理模块，用于对数据采集卡输出的多次采集结果取平均值，该平均值即为校正数据。

9.一种使用权利要求1-8任一项所述的探测器像素响应非均匀误差校正装置进行校正的方法，其特征在于：

将激光光源组件射出的准直激光经过所述耦合透镜聚焦至所述光纤端面，所述光纤将耦合进来的激光从所述容器的一个端面进入所述散射介质溶液中，所述散射介质溶液中的纳米颗粒对激光进行体散射，散射光从所述容器的另一端面透射，进入开孔的所述黑箱中，并在所述待校准的探测器位置形成均匀光场；所述信号采集和处理模块对在所述待校准的探测器位置形成的均匀光场实现试验数据的采集、处理，最终获得一组待校准的探测器像素响应非均匀误差的校正数据。

10.根据权利要求9所述的校正的方法，其特征在于：所述信号采集和处理模块对所述待校准的探测器位置形成的均匀光场进行多次测量；获得的第j个像素的校正数据是对应该像素点多次测量数据的平均值a_j，所述待校准的探测器的探测信号强度为I_j，则真实的光场信号为I0_j=I_j/a_j。