CN103017912B - 红外探测器的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种红外探测器的测量装置和测量方法，该装置包括红外光谱仪，提供单色的红外光；低温装置，具有红外窗口，该红外窗口接收所述红外光；设于所述低温装置内的待测探测器和参考探测器；移动平台，带动所述红外光谱仪或待测探测器和参考探测器移动；前置放大器，分别连接于所述待测探测器和参考探测器，所述前置放大器将探测信号放大后输出至所述红外光谱仪。本发明首先完成低温装置内高响应度的参考探测器对准，移动平台移动相应偏移量后实现待测探测器的自动对准。可提高小尺寸、低响应度红外探测器低温测量的对准效率与测量精度，方便多个样品多次、重复测量。

Description

红外探测器的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种红外探测器的测量装置和测量方法。

背景技术

红外探测器的光谱响应，即响应度随红外辐射波长的变化是探测器的一个重要指标。光谱响应度的测量需要准确的估计入射到探测器上的光功率，准确的光电测量要求将被测探测器的工作平面垂直于光谱仪测量光路，并置于聚焦红外光的焦点上。一般光谱仪中单色光聚焦后光斑尺寸在百微米，红外探测器器件尺寸为几十到几百微米，被测探测器安装平面需垂直于入射光路并满足工作平面与焦点之间点到点的对准。

制冷型红外探测器需要封闭在低温容器中，小型低温容器比如金属杜瓦瓶的固定与移动可以采用带微动头的手动平移台，调节范围数厘米测量精度0.01mm。这种方式并不适合大尺寸低温容器比如制冷机的位置调节。另外，低温容器的窗口材料对可见光透射率低，直接观察困难。这些都增加了低温容器中小尺寸的红外探测器与测量光路对准的难度。

被测探测器与测量光路对准的准确度通常由被测探测器测量到的光电流强度变化评估，对准时的光电流强度最大，如果被测探测器响应度较低或信噪比差时，对准过程光电流强度变化非常小而难以判断对准情况。

有鉴于此，有必要提供一种能快速准确测量小尺寸低响应度的制冷型红外探测器的光谱响应的装置与方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外探测器的测量装置和测量方法，实现低温装置中小尺寸、低响应度的待测红外探测器与探测红外光路能快速、准确的对准，从而提高待测探测器在低温环境下光谱响应度的测量效率与精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种红外探测器的测量装置，包括：

红外光谱仪，提供单色的红外光；

低温装置，具有红外窗口，该红外窗口接收所述红外光；

设于所述低温装置内的待测探测器和参考探测器；

移动平台，带动所述待测探测器和参考探测器移动；

前置放大器，分别连接于所述待测探测器和参考探测器，所述前置放大器将探测信号放大后输出至所述红外光谱仪。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述红外光谱仪提供聚焦的红外光。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，还包括非球面镜，所述红外光谱仪提供平行的红外光，所述非球面镜将所述平行的红外光聚焦。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述低温装置为制冷机或金属杜瓦瓶。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述参考探测器为HgCdTe探测器或InGaAs探测器。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述红外窗口为ZnSe窗口或BaF₂窗口。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述移动平台为三维平台，所述待测探测器和参考探测器固定于所述低温装置内，所述低温装置固定于所述移动平台上。

优选的，在上述红外探测器的测量装置中，所述待测探测器和参考探测器所在的直线与所述红外光入射方向垂直。

相应的，本发明还公开了一种红外探测器的测量方法，包括如下步骤：

S1、定义坐标系，记录待测探测器相对于参考探测器的偏移量；

S2、调整移动平台，通过红外光谱仪观察参考探测器的光强，记录光强最大时的位置；

S3、通过待测探测器相对于参考探测器的偏移量，相应地调整移动平台，使得红外光照射在待测探测器上，实现对待探测器的测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、移动平台可以用于安装小型的金属杜瓦瓶以及大型制冷机，可使用光谱仪内部聚焦红外光测量，也可输出平行光在光谱仪外部聚焦测量；

2、在低温装置中安装参考探测器，可实现低温装置中待测红外探测器与测量红外光路的快速、准确对准，在测量小尺寸探测器以及多个探测器时能提高测量效率；

3、移动平台记录参考探测器对准位置后，在不更换低温装置与参考探测器的情况下，后续测量无需再次对准参考探测器，安装待测探测器后可根据坐标位置直接执行三维平台的移动进行对准；

4、低温装置中可安装多个探测器并位于不同位置，提高待测探测器的对准精度与对准效率，也可安装不同种类的参考探测器，使用已知响应度的参考探测器，可以对待测探测器进行标定，从而可测量其绝对响应度，在测量中容易实现待测探测器与参考探测器等光程与等光照面积的测量条件，标定的准确度高。 

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明第一实施例中红外探测器的测量装置的结构示意图；

图2所示为本发明第一实施例中红外探测器的测量方法的示意图；

图3所示为本发明第二实施例中红外探测器的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

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详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明第一实施例中红外探测器的测量装置的结构示意图。

参图1所示，定义坐标系（x，y，z），红外光谱仪11发出的平行的红外光B2沿-y方向出射，光束通过离轴非球面镜17后光线变为B3，光线B3在x方向聚焦。红外光谱仪11通过数据线与计算机12连接，计算机12通过软件控制红外光谱仪11并处理输出测量结果。

安装有红外窗口131的低温装置13固定于移动平台14的底座141上，红外窗口131为ZnSe窗口，低温装置13为制冷机。

移动平台14为三维平台，三维平台的X、Y与Z每个方向各有两条导轨，每根导轨上安装2个及其以上的滑块，底座141的移动通过滑块在导轨上的直线运动实现，底座141在Y方向的移动可手动粗调，运行间距500~1000mm；底座141在X、Y与Z方向可自动精调，调节范围100~500mm，伺服电机驱动丝杆旋转实现滑块精确移动，由电机减速器调节的最小移动量为100~200nm；移动平台14与计算机12通过数据线连接，底座141在X、Y与Z方向的移动通过软件控制，可实现三轴联动，底座141在X、Y与Z方向的位置由计算机12记录。

低温装置13的冷指上安装有参考探测器D2与待测探测器D1。参考探测器D2与待测探测器D1可以位于竖直的同一个平面内，也可以位于两个竖直的平面内。参考探测器D2为HgCdTe探测器，记录待测探测器D1中心位置相对参考探测器D2中心位置的偏移量（x,y,z）。低温装置13内的温度为4-300K。

参考探测器D2与待测探测器D1的光电流通过前置放大器15连接到红外光谱仪11，红外光谱仪11采集并处理数据后传递到计算机12。低温下，借助计算机12上的光谱仪软件显示的光电流强度变化调节移动平台14，使光电流强度最大而完成参考探测器D2与红外光B3焦点的对准，计算机12上的三维平台软件记录此时底座141的位置为原点。对准后测量参考探测器D2的光电流随红外光的波长变化谱线SD2，且谱线的绝对值已知。移动平台14移动（-x,-y,-z）后完成待测探测器D1与红外光B3焦点的对准，测量待测探测器D1的光电流随红外光的波长变化谱线SD1，谱线SD1除以谱线SD2后的结果即为待测探测器D1的绝对光谱响应度S1。

待测探测器D1尺寸小，信号弱，直接用红外光测量不易捕捉到，而参考探测器D2如HgCdTe探测器或InGaAs探测器，尺寸大，信号强，通过本实施例中的装置很容易捕捉到，由于待测探测器D1和参考探测器D2的位置关系是固定的，在直角坐标系中，在获取参考探测器D2的位置以及两个探测器的相对位置时，可计算出待测探测器的位置，因此可间接获得待测探测器D1的位置，控制红外光线的移动或者待测探测器D1的移动，可使得红外光照射到相应的位置，即可实现对待测探测器的测量。参图2所示，先捕捉参考探测器D2的位置（虚线所示位置），然后通过控制待测探测器D1的移动，使得待测探测器D1处于红外光的焦点处（实线为移动后的位置）。

 图3所示为本发明第二实施例中红外探测器的测量装置的结构示意图。

与实施例一相比，实施例二中的低温装置23为金属杜瓦瓶，低温装置23内的温度为77-300K。由于金属杜瓦瓶体积比较小，其可设置在红外光谱仪内21，因此可实现在红外光谱仪21内对待测探测器D1进行聚焦测量。

技术方案具体参图3所示，红外光谱仪21直接发出聚焦的红外光B1，红外光B1沿-x方向聚焦于傅里叶红外光谱仪21中的样品室内。

安装有红外窗口231的低温装置23固定于移动平台24的底座241上，低温装置23为金属杜瓦瓶，红外窗口231为ZnSe。

低温装置23的冷指上安装有参考探测器D2与待测探测器D1，参考探测器D2为HgCdTe探测器。记录待测探测器D1中心位置相对HgCdTe探测器D2中心位置的偏移量(x，y，z)。

参考探测器D2与待测探测器D1的光电流通过前置放大器25连接到光谱仪21，光谱仪21采集并处理数据后传递到计算机22。低温下，借助计算机22上的光谱仪软件显示的光电流强度变化调节移动平台24，使光电流强度最大而完成参考探测器D2与红外光B1焦点的对准，计算机22上的三维平台软件记录底座241的位置为原点。对准后测量参考探测器D2的光电流随红外光的波长变化谱线SD2。移动平台24移动（-x,-y,-z）后完成待测探测器D1与红外光B1焦点的对准，测量待测探测器D1的光电流随红外光的波长变化谱线SD1，谱线SD1除以谱线SD2后的结果即为待测探测器D1的相对光谱响应度S1R。

需要注意的是，第二实施例中的参考探测器D2还可以为InGaAs探测器，低温装置23的红外窗口还可以为BaF₂窗口。

在其他实施例中，待测探测器D1可以为多个不同的探测器，多个探测器固定于低温装置冷指的不同位置，分别记录多个探测器中心位置相对参考探测器D2中心位置的偏移量，移动平台依次移动相应的偏移量后即可完成待测探测器D1的对准与测量。

综上所述，本发明技术方案的优点在于：

1、移动平台可以用于安装小型的金属杜瓦瓶以及大型制冷机，可使用光谱仪内部聚焦红外光测量，也可输出平行光在光谱仪外部聚焦测量；

2、在低温装置中安装参考探测器，可实现低温装置中待测红外探测器与测量红外光路的快速、准确对准，在测量小尺寸探测器以及多个探测器时能提高测量效率；

3、移动平台记录参考探测器对准位置后，在不更换低温装置与参考探测器的情况下，后续测量无需再次对准参考探测器，安装待测探测器后可根据坐标位置直接执行三维平台的移动进行对准；

4、低温装置中可安装多个探测器并位于不同位置，提高待测探测器的对准精度与对准效率，也可安装不同种类的参考探测器，使用已知响应度的参考探测器，可以对待测探测器进行标定，从而可测量其绝对响应度，在测量中容易实现待测探测器与参考探测器等光程与等光照面积的测量条件，标定的准确度高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种红外探测器的测量方法，其特征在于，提供一测量装置，该测量装置包括：

红外光谱仪，提供单色的红外光；

低温装置，具有红外窗口，该红外窗口接收所述红外光；

设于所述低温装置内的待测探测器和参考探测器；

移动平台，带动所述待测探测器和参考探测器移动，所述移动平台为三维平台，所述待测探测器和参考探测器固定于所述低温装置内，所述低温装置固定于所述移动平台上；

前置放大器，分别连接于所述待测探测器和参考探测器，所述前置放大器将探测信号放大后输出至所述红外光谱仪，

测量方法包括如下步骤：

S1、定义坐标系，记录待测探测器相对于参考探测器的偏移量；

S2、调整移动平台，通过红外光谱仪观察参考探测器的光强，记录光强最大时的位置；

S3、通过待测探测器相对于参考探测器的偏移量，相应地调整移动平台，使得红外光照射在待测探测器上，实现对待探测器的测量。