CN110749424A - 一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***及标定方法，属于光学电荷耦合器件标定技术领域，所述标定***沿着光线的传输路径依次包括标准积分球光源、带通滤片转轮和待标定CCD，其中，带通滤片转轮包括多个滤片，本发明利用多个滤片解谱的方法，有效地降低了待标定CCD光谱响应标定中对光源***单色化的需求，利用多个滤片组合便可实现光谱仪与积分球组合的功能，简化了标定***的结构和成本，标定方法简便高效，性能稳定可靠，能够较大程度缩短标定时间，提升实验效率。
Description
技术领域
本发明属于光学电荷耦合器件标定技术领域，具体地说涉及一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***及标定方法。
背景技术
光学电荷耦合器件(简称CCD)具有面均匀性高、***噪声小、记录速度快、可靠性强等优点，其在科学研究领域已经成为最重要的实验图像读取与记录设备，常常与光学成像***、光谱仪、光学条纹管等设备耦合开展精密实验研究。绝对光谱响应曲线是光学CCD的一个重要特性，通过对绝对光谱响应的精密标定能够在实验中获得诸如光源绝对强度、光谱绝对亮度等信息，从而极大拓展CCD在科学研究领域的应用，提升其定量化能力。
基于上述具体需求，建立CCD光谱响应绝对标定***和方法具有重要的意义。目前，国内外标定***主要由可见光稳定光源、光谱仪、积分球、光功率计、操控平台以及待标定器件(即CCD)等六部分组成，如图1所示。标定时，利用光谱仪选择特定波长将白光光源单色化，而后进入积分球***进行空间匀滑处理，从而在位于积分球输出口的CCD记录面上产生辐亮度均匀的单色光。通过安装在积分球其他出口的光功率计获得单色光的功率密度，并最终结合CCD计数强度获得在特定波长下的设备光谱响应。该标定***和方法的难点在于：其一，标定***的结构和***组成比较复杂，光谱仪及积分球的使用使得***整体成本较高，其普及性受到一定限制；其二，光功率计测量位置的光功率密度与CCD面板处的功率密度或许存在一定差异，所述差异与积分球尺寸及性能有关，体积越紧凑的积分球可能造成的差异越大，从而对标定结果的精度造成一定影响。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种结构简单、稳定可靠的光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***及标定方法，在保证实验数据质量的前提下，简化结构设计，降低成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，沿着光线的传输路径依次包括：
标准积分球光源，其包括积分球和标准光源，所述标准光源发出的光线通过积分球上的入射口进入积分球，光线在积分球内部漫反射后经出光口出射；
位于出光口处的带通滤片转轮，其包括多个滤片，且多个滤片的中心位于同一圆周上，所述出光口的中心轴线与滤片中心所在圆周相切；
和待标定CCD，所述待标定CCD的通光口与出光口对应设置。
进一步，所述标准光源为稳定连续的可见光源，其光谱范围覆盖380nm～780nm区间的可见光波段。
进一步，所述积分球内壁涂有漫反射层。
进一步，所述漫反射层材料为无机盐及其改进材料或聚氟塑料及其改进材料。
进一步，所述带通滤片转轮包括壳体和滤片转轮，所述滤片位于滤片转轮上，且滤片转轮可相对壳体转动。
进一步，所述壳体的两侧均设有光路通孔，靠近出光口一侧的光路通孔与出光口之间通过通光筒连通形成标定光路。
进一步，所述通光筒的直径不小于出光口的直径，且通光筒的直径与光路通孔的直径相同，所述通光筒的中心轴线与出光口的中心轴线重合。
进一步，转动滤片转轮时，位于标定光路上的滤片有且仅有一个，且滤片的尺寸与待标定CCD通光口的尺寸相匹配。
另，本发明还提供一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***的标定方法，包括如下步骤：
S1：转动带通滤片转轮，使得滤片中心逐个与光路通孔中心对齐；
S2：积分获得各个滤片在特定的光强下的理想计数强度，在所述理想计数强度中加入2％的随机噪声，作为各个滤片输出的待标定CCD计数强度；
S3：通过各个滤片输出的待标定CCD计数强度，根据解谱方法获得待标定CCD的光谱响应函数曲线，即可。
进一步，各个滤片保持相同的曝光时间，同时，各个滤片中心波长覆盖标准光源的波长范围且不存在完全包含的关系，各个滤片的透过率保持一致。
本发明的有益效果是：
利用多个滤片解谱的方法，有效地降低了待标定CCD光谱响应标定中对光源***单色化的需求，利用多个滤片组合便可实现光谱仪与积分球组合的功能，简化了标定***的结构和成本，标定方法简便高效，性能稳定可靠，能够较大程度缩短标定时间，提升实验效率。
附图说明
图1为现有的标定***的结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是带通滤片转轮的结构示意图；
图4是滤片转轮的结构示意图；
图5是不同出光口尺寸的积分球在特定工作距离内的面均匀性曲线图，横坐标表示出光口距离待标定CCD通光口的距离d，单位为cm，纵坐标表示辐照均匀性；
图6是实例二中出光口处辐射功率密度光谱分布图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示辐射强度，单位为w/cm2/nm；
图7是实例二中滤片透过率曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示透过率；
图8是实例二中设定待标定CCD的已知的光谱响应函数曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光谱响应，单位为w/cm2/nm；
图9是实例二中根据解谱方法获得待标定CCD的光谱响应函数曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光谱响应，单位为w/cm2/nm；
图10是是实例三中滤片透过率曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示透过率；
图11是是实例三中根据解谱方法获得待标定CCD的光谱响应函数曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光谱响应，单位为w/cm2/nm；
图12是是实例四中滤片透过率曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示透过率；
图13是是实例四中根据解谱方法获得待标定CCD的光谱响应函数曲线图，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示光谱响应，单位为w/cm2/nm。
附图中：1-可见光稳定光源、2-光谱仪、3-现有标定***的积分球、4-光功率计、5-待标定器件、6-标准光源、7-积分球、8-出光口、9-通光筒、10-壳体、11-滤片转轮、12-待标定CCD、13-支架、14-光路通孔。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图2所示，一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，沿着光线的传输路径依次包括标准积分球光源、带通滤片转轮和待标定CCD12。
具体的，标准积分球光源包括积分球7和标准光源6，所述标准光源6发出的光线通过积分球7上的入射口进入积分球7，光线在积分球7内部漫反射后经出光口8出射。所述标准光源6为稳定连续的可见光源，如溴钨灯，其光谱范围覆盖380nm～780nm区间的可见光波段，以便用于不同波长下的待标定CCD12能谱响应标定。同时，标准光源6连接稳定性高的电源，以保证标定期间出光口8处的输出光功率稳定。所述积分球7内壁涂有漫反射层，以保证在出光口8位置附近产生空间分布均匀的面辐照。所述漫反射层材料为无机盐及其改进材料或聚氟塑料及其改进材料，优选为硫酸钡或聚四氟乙烯。
如图2和图3所示，带通滤片转轮位于出光口8处，其包括壳体10和滤片转轮11。所述壳体10与支架13连接，所述滤片转轮11位于壳体10内部，且滤片转轮11通过转轴与支架13可转动连接，也就是说，滤片转轮11可相对壳体10转动。如图4所示，所述滤片转轮11上设置多个滤片15，且多个滤片15的中心位于同一圆周上，所述出光口8的中心轴线与滤片15中心所在圆周相切。滤片15选择标准首先是各个滤片中心波长尽量覆盖标准光源6的波长范围(即标定波长范围)，且不要有完全包含的关系，避免解谱时出现测量结果之间由于误差引入的解谱不自洽。同时各个滤片15的透过率应该保持一致或接近，避免在相同积分时间内不同通道产生较大计数差异的问题，光线透过滤片15形成通道。
所述壳体10的两侧均设有光路通孔14，靠近出光口8一侧的光路通孔14与出光口8之间通过通光筒9连通形成标定光路，也就是说，经出光口8出射的光线经通光筒9入射至滤片转轮11。同时，光路通孔14的中心轴线与滤片15中心所在圆周相切。作为优选，所述壳体10包括封装连接的前壁和后壁，且前壁和后壁均采用金属制成，以降低标定时可能通过其他通道透射的杂散光，同时，通光筒9内壁采用低反射吸光材料，最大限度降低二次反射对面均匀性的影响。所述通光筒9的直径不小于出光口8的直径，且通光筒9的直径与光路通孔14的直径相同，所述通光筒9的中心轴线与出光口8的中心轴线重合。
所述待标定CCD12的通光口与出光口8对应设置。转动滤片转轮11时，位于标定光路上的滤片15有且仅有一个，且滤片15的尺寸与待标定CCD12通光口的尺寸相匹配。此外，带通滤片转轮的厚度要求尽量薄，其厚度可控制在1～1.5cm之间，远小于出光口8与待标定CCD通光口之间的距离，以保证待标定CCD12的通光口与通光筒9出口的距离比较近，获得与通光筒9出口标定的光功率值一致的输出强度。
如图2所示，出光口8的直径为2R，出光口8距离待标定CCD通光口的工作距离为d，待标定CCD通光口尺寸为2r。其中，出光口8的尺寸主要由面均匀性要求决定。对光学CCD而言，其典型面阵为单边1024或2048个像素单元，对应像素单元长度约为13.5μm，通光口整体尺寸约为2r＝2.5cm。同时，大部分带通光学滤片的出厂标准规格是2.5cm，可以相互兼容，有效地控制积分球尺寸及***整体成本。通光筒9的内径不小于待标定CCD通光口尺寸，通光筒9的长度受工作距离d影响。依据视角分析的方法获得积分球7辐照均匀性的分析，对于方向分别为
和
的两个平面S1和S2，假定两个平面上采样点分别是p1和p2，源平面对接受面上发射通量贡献为
根据该公式，图5给出了不同出光口尺寸的积分球在特定工作距离内的面均匀性。以开口直径2R＝5cm为例，可以看到为了在直径2r＝2.5cm空间内产生足够优于95％的均匀辐照，出光口8距离待标定CCD通光口需要满足d>7cm；当开口直径2R＝7cm时，为了实现相同条件下的均匀辐照，工作距离需要满足d>5.6cm；而当开口直径2R＝10cm时，任意工作位置均能满足均匀辐照的要求，此时，对通光筒9的限制最小。
考虑到标定实验后处理中解谱的需求，滤片15优选为6个，如图4所示。滤片15安装于滤片孔处，滤片孔均匀分布在滤片转轮11上，相邻滤片孔的夹角为60°，相邻滤片孔的中心间距不小于通光筒9半径与滤片15半径之和，滤片转轮11的半径不小于通光筒9直径与滤片15半径之和，以确保安装时通光筒9中心轴能够与滤片15中心轴重合。以通光筒9直径5cm为例，此时滤片15直径2.5cm，而滤片转轮11直径不小于12.5cm。绝大部分可见光CCD光谱响应可以覆盖380～780nm区间，在选取滤片15时可按照均匀分布的原则进行，以400nm、470nm、540nm、610nm、680nm、750nm为中心波长的滤片组合。进一步考虑到大部分白光光源的光谱具备Planck谱发射强度I(λ,T)，其亮度温度大约在3000K附近。因此，滤片15的带宽宽度2Δλ选择应该遵循不同通道的通量
(i＝1,2,...,6)在CCD的线性范围内的原则，公式中I(λi,T)代表亮度温度为T的光源在波长λi处的发射谱功率密度，B(λi)代表信号通道为λ0-Δλ至λ0+Δλ之间的总共发射的功率密度。以均匀带宽80nm通道为例，其在各个中心波长下的相对光通量分别为11、4.3、2.3、1.5、1.2、1，即最大通量是最小通量的11倍，能够符合CCD线性范围要求。实际标定中也可根据实际需求对滤片15配置进行优化，如可在局域波段内适当增加滤片15数量，从而达到精细表征光谱响应的目的。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
标准光源6采用稳定连续的可见光源作为输入，亮度温度为3000K，光谱范围覆盖350nm～800nm区间。积分球的出光口8的直径为5cm，出光口8附近的功率密度为1.5w/cm2。按照光谱分布，可获得出光口8位置的光谱功率密度分布，如图6所示。滤片15采用6个通道标定，中心波长及带宽选择分别为400±40nm、470±40nm、540±40nm、610±40nm、680±40nm、750±40nm，滤片15透过率曲线如图7所示。
标定时，各个通道保持相同的曝光时间，转动滤片转轮11使得滤片15中心逐个与光路通孔14中心对齐。计算不同通道的待标定CCD12计数时，设定待标定CCD12的已知的光谱响应函数曲线如图8所示。通道理想计数与光谱功率、透过率系数、光谱响应函数具有如下关系：其中，Ni代表第i通道计数强度，其波长区间为λi-Δλ至λi+Δλ之间，B(λ,T)代表光谱功率，TR(λ)代表与波长λ相关的透过率，SR(λ)代表***光谱响应函数，Nnoise代表标定过程中的噪声项贡献。通过积分逐一获得各个通道在特定的光强下的理想计数强度，同时在该理想强度中加入2％的随机噪声作为单通道输出强度。通过各个滤片15对应的待标定CCD12计数强度，根据解谱方法获得待标定CCD12的光谱响应函数曲线，如图9所示，黑色实线是理想光谱响应，黑色虚线是***反解后的***光谱响应。由图9可以看出，光谱响应还原度非常高，可实现各个通道数据还原率近似为1，同时可以获得考虑***随机误差后该***解谱结果的相对误差为1.02％。
实施例三：
本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
滤片15的中心波长及带宽选择分别为400±20nm、470±50nm、540±30nm、610±40nm、680±30nm、750±30nm，滤片15透过率曲线如图10所示。
根据解谱方法获得待标定CCD12的光谱响应函数曲线，如图11所示，其中黑色实线是理想光谱响应，黑色虚线是***反解后的***光谱响应。由图11可以看出，光谱响应还原度非常高，可实现各个通道数据还原率近似为1，同时可以获得考虑***随机误差后该***解谱结果的相对误差为0.82％。
实施例四：
本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
滤片15的中心波长及带宽选择分别为410±30nm、490±50nm、560±30nm、600±20nm、650±25nm、750±30nm，滤片15透过率曲线如图12所示。
根据解谱方法获得待标定CCD12的光谱响应函数曲线，如图13所示，其中黑色实线是理想光谱响应，黑色虚线是***反解后的***光谱响应。由图11可以看出，光谱响应还原度非常高，可实现各个通道数据还原率近似为1，同时可以获得考虑***随机误差后该***解谱结果的相对误差为1.2％。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，沿着光线的传输路径依次包括：
标准积分球光源，其包括积分球和标准光源，所述标准光源发出的光线通过积分球上的入射口进入积分球，光线在积分球内部漫反射后经出光口出射；
位于出光口处的带通滤片转轮，其包括多个滤片，且多个滤片的中心位于同一圆周上，所述出光口的中心轴线与滤片中心所在圆周相切；
和待标定CCD，所述待标定CCD的通光口与出光口对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述标准光源为稳定连续的可见光源，其光谱范围覆盖380nm～780nm区间的可见光波段。
3.根据权利要求1所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述积分球内壁涂有漫反射层。
4.根据权利要求3所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述漫反射层材料为无机盐及其改进材料或聚氟塑料及其改进材料。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述带通滤片转轮包括壳体和滤片转轮，所述滤片位于滤片转轮上，且滤片转轮可相对壳体转动。
6.根据权利要求5所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述壳体的两侧均设有光路通孔，靠近出光口一侧的光路通孔与出光口之间通过通光筒连通形成标定光路。
7.根据权利要求6所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，所述通光筒的直径不小于出光口的直径，且通光筒的直径与光路通孔的直径相同，所述通光筒的中心轴线与出光口的中心轴线重合。
8.根据权利要求7所述的一种光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***，其特征在于，转动滤片转轮时，位于标定光路上的滤片有且仅有一个，且滤片的尺寸与待标定CCD通光口的尺寸相匹配。
9.一种采用如权利要求8所述的光学电荷耦合器件绝对光谱响应标定***的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：转动带通滤片转轮，使得滤片中心逐个与光路通孔中心对齐；
S2：积分获得各个滤片在特定的光强下的理想计数强度，在所述理想计数强度中加入2％的随机噪声，作为各个滤片输出的待标定CCD计数强度；
S3：通过各个滤片输出的待标定CCD计数强度，根据解谱方法获得待标定CCD的光谱响应函数曲线，即可。
10.根据权利要求9所述的标定方法，其特征在于，各个滤片保持相同的曝光时间，同时，各个滤片中心波长覆盖标准光源的波长范围且不存在完全包含的关系，各个滤片的透过率保持一致。
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2019
- 2019-11-27 CN CN201911180198.5A patent/CN110749424A/zh active Pending
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