CN102322948B - 一种红外探测器响应率参数的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外探测器绝对响应率的标定方法及装置，利用黑体源和窄带滤光片组合的方法，得到了探测器在指定波长下的绝对响应率参数。本方法采用黑体源作为标定光源，确保了空间输出光斑的稳定性和均匀性，在标定测量中不需要对探测器的放置位置进行精密调节，大大提高了批量探测器的标定效率和准确性，同时通过理论计算的方法得到了辐照到探测器表面的光功率参数，克服了弱小光信号功率测量中引入的误差。本方法通过改变滤光片的波长参数和黑体温度，可适用于探测器在多种波长处的参数标定，具有广泛地适用性。

Description

一种红外探测器响应率参数的标定方法

技术领域

本发明涉及一种光电探测器响应率参数的标定方法，特别是红外探测器绝对响应率的标定方法。

背景技术

红外探测器是激光功率/能量密度分布测量设备的核心器件，该设备所用的红外探测器数量多达数百只，准确测量该探测器的响应率参数是决定测量设备指标的先决条件。响应率是指在指定波长下，探测器所产生的信号与入射的该波长光功率的比值，要实现其绝对测量需要准确测量得到入射到探测器的该波长的光功率和探测器产生的信号。

现有的响应率测量法主要有宽谱光源相对测量法和激光光源绝对测量法。宽谱光源相对测量法通常将能斯特灯、硅碳棒等宽谱光源发出光经过光栅分光后入射到探测器，并根据探测器响应的电压或电流信号幅值，计算得到光谱响应相对值。但由于上述光源的光强很弱，再经过光栅分光后其功率更弱，故很难精确测量得到分光后的光功率，且宽谱光源的辐射特性和光栅衍射参数也难以理论计算而得，因此只能用于响应率的相对测量；激光光源绝对测量法是利用激光器作为光源，测量得到该波长下探测器的响应绝对响应率，在应用中需要准确测量辐照到探测器有效面积上的激光功率。由于通常激光器输出光束空间分布不均匀，且探测器的有效光敏面很小，在进行大批量探测器测量时，针对每个探测器需要两次分别测量激光功率和对应激光位置处探测器的响应信号，需要采用精密光学调节架对每个探测器的放置位置进行精确调节，最终影响到批量测量的效率和准确性；此外，对于特殊波长比如中红外波段的探测器响应率测量时，该波长激光器输出功率不稳定或者运行费用较高等都限制了这种方法的应用。

发明内容

本发明目的是提供一种红外探测器响应率的绝对标定方法，可适用于任意波长的响应率参数测量，且在标定测量中对探测器的位置不敏感，不需要对探测器的放置位置进行精密调节，大大提高了批量探测器的标定效率和准确性。

本发明的技术解决方案是：

一种红外探测器响应率的绝对标定方法，包括以下步骤：

1】黑体辐射光经窄带滤光片滤光后入射到红外探测器光敏面，红外探测器输出信号经过调理放大后输出；

2】根据黑体温度、黑体辐射系数、窄带滤光片透过率曲线，计算到达红外探测器光敏面的光功率P；

3】按照公式R_Δλ＝U/(P·k)计算得到红外探测器在λ₁～λ₂下的波段绝对响应率R_Δλ；其中λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长，U为放大器输出信号，k为放大器放大倍数；

4】按照公式

$R_i=R_{\mathrm{\Δ\λ}}\·R_i^{\′}/{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}{R}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

计算得到红外探测器在测量波长λ_i下的绝对响应率，其中R′(λ)为红外探测器相对响应率谱线，R′_i为红外探测器在测量波长λ_i下的相对响应率幅值；所述λ_i在λ₁～λ₂之间。

上述辐照到红外探测器光敏面的光功率P的计算方法为：

$P=c\·A{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}M\left(\mathrm{\λ}\right)\·T\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长，M(λ)为黑体的光谱辐射度，T(λ)为窄带滤光片的透过率随波长的变化幅值，A为红外探测器的有效光敏面面积，c为黑体源辐射系数。

一种红外探测器响应率的绝对标定装置，沿黑体源辐射光路依次准直布放光斩波器、光阑、红外探测器，所述红外探测器的输出端连接信号放大器的输入端，信号放大器的输出端接信号采集记录设备，所述的光斩波器的频率通过斩波调制控制器控制，其特殊之处是：红外探测器和光阑之间设置有窄带滤光片，待测量波长在所述窄带滤光片的透射带内。

上述光斩波器叶片与红外探测器光敏面的距离大于10倍黑体腔体直径。

上述窄带滤光片的半波宽度为100～150nm。

上述黑体源电连接黑体温度控制器，通过黑体温度控制器进行温度调节控制；所述的信号采集记录设备为数字化锁相放大器，所述斩波调制控制器输出端电连接数字化锁相放大器的信号频率参考端。

上述红外探测器安装在探测器固定座上，探测器固定座上设置有与红外探测器外壳相匹配的定位孔。

上述光斩波的调制频率为数百Hz。

本发明具有的有益效果：

1、采用黑体源作为标定光源，确保了空间输出光斑的稳定性和均匀性，且在标定测量中对探测器的位置不敏感，不需要对探测器的放置位置进行精密调节，大大提高了批量探测器的标定效率和准确性。

2、采用黑体源宽光谱输出结合窄带滤光片滤光的方法，得到了指定波长的稳定、均匀光源。

3、本发明待测量波长在窄带滤光片的透射带内，且窄带滤光片的半波宽度为100～150nm，合适的半波宽度可以防止镀膜设计和工艺的偏差，导致待测量波长出现在透射带之外，同时确保辐照到探测器表面功率足够大，确保信号输出强度，提高测量信噪比。

4、通过改变滤光片的波长参数和黑体温度，可适用于探测器在其它波长处的参数标定，具有广泛地适用性。

5、通过理论计算的方法得到了辐照到探测器表面的光功率参数，克服了弱小光信号功率测量中引入的误差，确保了响应率绝对标定的准确性。

附图说明

图1为本发明红外探测器在某一波长处绝对响应率测量原理图；

图2为本发明计算的工作温度为1000℃的黑体源在3～5μm的光谱辐射度M(λ)；

图3为本发明测量的窄带滤光片的透过率随波长的变化幅值T(λ)；

图4为本发明测量的红外探测器相对响应率谱线R(λ)；

其中：1-黑体源；2-光斩波器；3-光阑；4-窄带滤光片；5-红外探测器；6-前置放大器；7-数字化锁相放大器；8-黑体温度控制器；9-斩波调制控制器。

具体实施方式

本发明思路是利用黑体源结合窄带滤光片结合的方法，得到探测器光敏面处光功率密度分布均匀、功率稳定的标定光，探测器安装在固定座上，利用探测器的外壳进行定位，方便更换，且不需要对探测器的放置位置进行调节，从而实现了批量光电探测器的绝对响应率标定。

下面以红外探测器在3.8μm处的绝对响应率标定为例，介绍本发明的标定方法及标定装置：

红外探测器的绝对响应率测量原理如图1所示，黑体源1辐射光经过光斩波器2频率调制后，经过光阑3输出，耦合至红外探测器5光敏面。光斩波器2可通过斩波调制控制器9改变其调制频率。调制频率通常设置在数百Hz。

红外探测器5的光敏面放置在黑体源1腔体的输出轴线上，且距离光斩波器2叶片表面的距离大于10倍黑体腔体直径，这样其输出光斑的均匀性更佳。红外探测器5的光敏面前设置有指定波长的窄带滤光片4，红外探测器5的输出端连接前置放大器6的输入端，前置放大器6的输出端可接示波器或数据采集***等信号记录设备，也可以接锁相放大器7，同时这样可实现微弱信号的锁相放大，并直接输出信号幅值，进一步提高了测量准确性，在采用锁相放大器7进行放大时，需要由斩波调制控制器9输出频率调制信号，给锁相放大器7提供参考。

由于黑体的辐射功率比较稳定，随时间变化较小，且光斑的均匀性较好，故在标定中对探测器的位置不敏感。根据测试结果，黑体的光斑在Φ10mm的直径范围内功率密度的变化可忽略，对于光敏面尺度1mm左右的红外探测器而言，不需要对探测器的放置位置进行精密调节，在实验中只需要将红外探测器安装在探测器固定座上，探测器固定座上设置有与红外探测器外壳相匹配的定位孔，利用探测器的外壳定位就可以很容易将探测器的光敏面放置在黑体的光斑区域内，且便于更换，减少了激光源标定方法中需要对光束进行位置精确调整的繁琐，本发明大大提高了批量探测器的标定效率和准确性。

根据黑体辐射公式，黑体辐射的中心波长和辐射功率与黑体的温度相关，故采用温度控制器8用于精确控制高温黑体的工作温度，并根据普朗克(Planck)公式选择合适的黑体工作温度。

$M\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{c_2/\mathrm{kT}-1}}---\left(1\right)$

其中M(λ)为黑体的光谱辐射度，λ为波长，T为黑体温度(K)，k为波尔兹曼常数，c₁和c₂分别为第一、二辐射常数。

本发明中黑体的工作温度为1000℃，图2为根据公式(1)计算得到的工作温度为1000℃的黑体源在3～5μm的光谱辐射度M(λ)；对于黑体源1来说，其光谱辐射度还受到黑体发射系数、光斩波器2的结构、光阑孔3的形状尺寸和红外探测器5光敏面与光阑孔3的距离等因素的影响，在这里统称为黑体源辐射系数c，其为常数且可以根据黑体源1的结构参数和实验条件计算而得(此处省略)。

本发明待测量波长在窄带滤光片的透射带内，且窄带滤光片的半波宽度设计为100～150nm。半波宽度太大时当探测器的光谱响应度出现拐点时，容易带来标定误差，宽度太小则会影响探测器的输出信号强度。选择合适的半波宽度可以防止镀膜设计和工艺的偏差，导致待测量波长出现在透射带之外，同时确保辐照到探测器表面功率足够大，确保信号输出强度，提高测量信噪比。图3为采用分光光度计标定得到的窄带滤光片4的透过率随波长的变化幅值T(λ)，受到镀膜工艺的影响，窄带滤光片4的中心波长约在3.87μm处，透过率约85.0％，半波宽度约为150nm。为了克服镀膜参数偏差的影响，准确得到3.8μm处的绝对响应率参数，需要结合红外探测器的相对响应率谱线R′(λ)进行计算。图4为采用红外光谱仪测量得到的探测器在1～6μm的相对响应率谱线R′(λ)，而该谱线对应的3.8μm处的相对响应率幅值R′_3.8＝0.88。

红外探测器在3.8μm处的绝对响应率标定步骤如下：

第一步，根据黑体光谱辐射度、黑体源辐射系数、窄带滤光片透过率曲线，计算到达探测器光敏面的光功率P。

$P=c\·A{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}M\left(\mathrm{\λ}\right)\·T\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

其中λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长，M(λ)为如图2所示的黑体的光谱辐射度，T(λ)为如图3所示的窄带滤光片的透过率随波长的变化幅值，A为探测器的有效光敏面面积，c为黑体源辐射系数。

第二步，计算得到探测器在λ₁～λ₂波段下的波段绝对响应率RΔλ。

R_Δλ＝U/(P·k)                    (3)

其中放大器输出信号为U，放大倍数为k，λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长。

第三步，计算得到探测器在3.8μm处的绝对响应率R_3.8。

$R_{3.8}=R_{\mathrm{\Δ\λ}}\·R_{3.8}^{\′}/{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}{R}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中R′(λ)为如图4所示的红外探测器相对响应率谱线，R′_3.8为红外探测器在3.8μm处相对响应率幅值，如图4所示，R′_3.8＝0.88。

需要说明的是，本实施例仅以波长3.8μm为例，如果要标定其他波长的探测器绝对响应率，则需要镀制相应波长的窄带滤光片，同时根据黑体辐射原理，选择相应的黑体工作温度，实现该波长的参数标定，相比于输出波长固定的激光器而言，本发明的批量光电探测器绝对响应率的标定方法可用于紫外、可见光和红外波段，具有广泛地适用性。

Claims (1)

1.一种红外探测器响应率的绝对标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】黑体辐射光经窄带滤光片滤光后入射到红外探测器光敏面，红外探测器输出信号经过调理放大后输出；所述的窄带滤光片的半波宽度为100～150nm，

2】根据黑体温度、黑体辐射系数、窄带滤光片透过率曲线，计算到达红外探测器光敏面的光功率P：

$P=c\·A{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}M\left(\mathrm{\λ}\right)\·T\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长，M(λ)为黑体的光谱辐射度，T(λ)为窄带滤光片的透过率随波长的变化幅值，A为红外探测器的有效光敏面面积，c为黑体源辐射系数，

3】按照公式R_Δλ=U/(P·k)计算得到红外探测器在λ₁～λ₂下的波段绝对响应率R_Δλ；其中λ1为窄带滤光片的起始波长，λ2为窄带滤光片的终止波长，U为放大器输出信号，k为放大器放大倍数；

4】按照公式

$R_i=R_{\mathrm{\Δ\λ}}\·R_i^{\′}/{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}{R}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

计算得到红外探测器在测量波长λ_i下的绝对响应率，其中R'(λ)为红外探测器相对响应率谱线，R_i'为红外探测器在测量波长λ_i下的相对响应率幅值；所述λ_i在λ₁～λ₂之间。

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