利用线阵CCD测量照明光场均匀度

    1　引言

    现代的光学测量系统中大都要求光源能提供一个均匀的光场照明,其光场的均匀度对光学测量系统的精度影响颇大。因此有必要对光场的均匀程度进行检测,一般的方法是采用小型探头在光场内进行逐点扫描,进行测量。但其费时较长,且探头的扫描机构复杂。为克服上述不足,本文提出了一种利用线阵CCD进行检测的新方法。

    2　检测原理与方法

    线阵CCD是一种新型的半导体光电转换器件,其基本结构是一种呈线型密排的MOS电容阵列。能够在适当相序的时钟脉冲驱动下,依次将存储在像敏单元势阱中的光生电荷输出,实现自扫描。利用CCD的像敏单元的线型分布结构和CCD的自扫描特性,采用二次机械扫描就可以来检测光场的均匀度。该方法分两步对整个待测光场进行扫描,利用CCD的各像元对光场进行探测,采用帧对比的方法,从CCD输出信号中分析待测光场是否均匀。第一步进行圆周扫描,如图1所示。

    CCD一端的有效像元对准待测光场光轴,另一端的有效像元对准待测光场边缘。当CCD以光轴为轴心顺时针旋转时,CCD的各像元分别相当于一个小型探头同时在光场内做圆周扫描,这些圆周将待测光场分成若干宽度相同的同心圆环。各个CCD像元就在这些同心圆环内沿圆周扫描。这样可通过CCD各像元的输出信号分析知道各圆环内的光场分布是否均匀。通过第一步圆周扫描可知光场分布在各圆环内是否均匀,但并不能确定各圆环间的光场分布是否均匀,因此必须进行第二步扫描。

    第二步进行径向扫描,使CCD的有效像元对准光轴,沿径向做平移扫描。如图2所示。

    当CCD沿径向平移时,相当于有一个小型探头沿光场径向扫描,同理由采集到的CCD的输出信号分析可知光场沿径向的分布是否均匀,也即各圆环间光场分布是否均匀。综合第一和第二步则可知光场的整体分布是否均匀。如果光场沿径向和各圆周都分布均匀,则此光场整体分布也均匀。

    3　系统组成

    光场均匀度检测系统主要由计算机系统、控制驱动系统、CCD扫描机构、数据采集系统和显示打印终端组成。系统工作过程为:首先由计算机系统通过控制驱动系统操作CCD的扫描机构进行圆周和径向的扫描,然后通过数据采集系统采集CCD获得的光场信号并送交计算机系统进行计算分析,最后将结果通过显示打印终端打印显示出来。其结构框图如图3所示。

    4　结束语

    利用上述原理和机构对光场进行检测,其检测精度主要取决于对待测光场的检测点数。检测点数越多,测量的精度就越高。光场半径确定时,检测点数的多少取决于CCD各像敏单元的几何尺寸和CCD的扫描步长。CCD各像敏单元的几何尺寸和CCD的扫描步长越小,相应的检测点数就越多,检测精度就越高。同时,该检测系统仅仅对待测光场照度空间分布的均匀度进行了检测,光场时间上的稳定度并未得到检测。不过在光源电源高稳定度的情况下,时间稳定度一般是比较高的,对光场的检测还是应主要检测空间均匀度。