电荷耦合器件光电响应特性标定研究

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------电荷耦合器件光电响应特性标定研究第18卷第2期2006年2月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.18，No.2Feb.，2006文章编号：1001-4322（2006）02-0227-032李恩德1，，段海峰1，杨泽平1，王海英1，张雨东1*（1.中国科学院光电技术

2、研究所，成都610209；2.中国科学院研究生院，北京100080）摘要：电荷耦合器件（CCD）光电输入输出响应特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数，介绍一种新的标定方法———小孔衍射方法：即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的灰度输出标定其响应特性。介绍了数据处理方法并完成了校核实验及误差分析。关键词：电荷耦合器件（CCD）；光电响应特性；小孔衍射中图分类号：O439文献标识码：A2维面阵电荷耦合器件（CCD）是光束束宽、光

3、束远近场能量相对分布等强激光光束质量评价参数测量系［1-3］统中的关键器件。在这些测量系统中，CCD测量的是激光能量的相对分布，而CCD输出的是灰度值，因此——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------研究CCD输入输出光电转换特性、线性动态范围的标定方法，是保障激光参数测量系统测

4、量精度和系统可靠［4］性的关键技术环节。CCD反映的是输入光能量与输出灰度值的关系，标定的目的是建立CCD输出灰度值与对应的输入能量的相对关系，为CCD采集的图像变换为入射光的能量分布提供转换基准。传统的标定方法是将激光用分光镜分为两束，一束用标准能量卡计检测激光能量，另一束用CCD记录相应的输出，通过改变激光的能量，得到卡计和CCD的一组对应数据，标定出CCD的输入输出响应曲线，缺点是CCD需要多次曝光采样，标定实验受环境条件的影响较大，且卡计的测量误差引入标定结果，标定精度降低。为此，文献［5-

5、6］分别提出了尖劈分光法和双缝衍射法，CCD一次曝光就可采样到一组能量分布确定且呈递减关系的数据，避开了多次采样问题，实现动态范围的相对标定。但这两种方法的采样数据点有限，并需一定的实验条件。［7］本文在为片状放大系统研制小信号增益测量系统的过程中，提出了小孔衍射法标定CCD的动态光电响应特性，与其他方法相比，具有实验简单、采样数据点多、易于在现场环境标定的优点。1工作原理及实验光路CCD响应特性标定实验的关键是得到一组对入射光能量衰减关系确定可知的CCD采样灰度输出。尖劈法是以尖劈两面的反射、透射

6、膜分光比作为基准，利用激光的多次反射得到一组能量衰减关系固——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------定的光束，通过聚焦透镜同时聚焦于CCD靶面；双缝衍射法是通过合理选择双缝屏的缝宽、缝距，使一组能量相对分布理论已知的衍射光斑聚焦于CCD靶面。小孔衍射法的原理与双缝衍射法相似，是

7、根据激光经小孔衍射后在焦平面能量分布理论可知的特点，结合CCD靶面的尺寸、聚焦透镜的焦距、标定激光的波长等因素选择小孔直径，使CCD对衍射图样的零级谱有足够多的采样点，从而根据输入CCD的零级谱的能量分布与CCD的采样输出灰度值标定光电响应曲线。由夫琅和费衍射理论可知，小孔衍射的远场能量分布为2I=I［/Z］，Z=kaθ02J（1Z）（1）式中：I0为衍射远场的零级谱极大强度；k=2π/λ；a为圆孔半径；x+y）/f，x，y代表远场坐标，f为傅里θ=叶透镜的焦距。根据标定实验光路的参数，代入⑴式，可

8、得CCD入射激光能量分布，如图1所示（横坐标单位为CCD像素，纵坐标为归一化能量）。CCD标定实验的光路如图2所示，光路由激光振荡器、针孔衍射屏、长焦透镜、待标定CCD及控制采集电路组成，激光波长1.053μm，透镜焦距1200mm，衍射孔为Ф50μm，CCD像元数512×512，像元尺寸24μm×24μm，信号输出12bit。CCD采集的衍射图样灰度输出如图3所示，其中图3（a）表示整个衍射图像，坐标为像素；图3（b）表示过中心的截线图的一半，其横坐标单位为像素，纵