CN103292980A - 光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置，由光源部分、器件部分和仪器设备三部分组成。光源部分由1053nm的带尾纤激光器、光纤衰减器和光纤准直器组成。器件部分由光阑、1/4波片、楔镜、反射镜、功率衰减器、偏振分光棱镜、光开关和BNC-T型头组成。仪器设备部分由斩波器、锁相放大器、恒温箱、标准探测器、待测探测器、数据采集卡和计算机组成。本发明采用双光路叠加法原理，利用激光光源的窄线宽等优点，能够实现不同光电探测器在特定波长下的直线度和面响应均匀性的精确测量，具有运行稳定、抗干扰性强、动态范围大、测量方便快捷等优点，重复测量精度优于0.08%。

Description

光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置

技术领域

本发明属于探测器特性参数测量装置，特别是一种用于光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置。

背景技术

线性测量一直是光辐射度学研究和光电传感器性能评估中极其重要的组成部分，而直线度是探测器最基本的特性参数之一，但是一般情况下，几乎所有的探测器都存在线性问题，而且对于这些探测器或者包括这些探测器所组成的测量***的定标都只能在非常局限的范围内进行，在定标点以外的绝大部分区域只能通过***的线性进行估算，结果的准确性很差；同时一般的探测器厂商都不给出大面积探测器的面响应均匀性，这对需要这项指标的用户来说是非常糟糕的。目前市场上没有成熟的测量光电探测器直线度的仪器，探测器直线度的测量一般都是在有需要的实验室内搭建探测平台进行测量的，这些测量装置的测量结果往往受到光源稳定性、温度和外界环境噪声等因素影响的限制，尤其是当光功率在0.01微瓦以下时，噪音的影响非常大，严重影响测量结果。因此，需要一种高精度的测量探测器直线度和面响应均匀性的装置，对各种光电探测器的特性参数进行测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的技术问题和不足，提供一种光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置，该装置应能够实现对光电探测器直线度和面响应均匀性的精确测量，准确测量出光电探测器的线性区间，应能够实现光功率在0.05nw至0.5mw的动态范围内的测量，应运行稳定、抗干扰能力强、重复测量精度高。

本发明解决的技术方案如下：

一种光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置，特点在于其构成包括：光源，光纤衰减器、光纤准直器、光阑、斩波器、1/4波片、楔镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、功率衰减器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一光开关、第二光开关和BNC-T型头、第一锁相放大器、第二锁相放大器、标准光电探测器、待测光电探测器、数据采集卡、计算机和恒温箱，上述元部件的位置关系如下：

所述的光源、光纤衰减器、光纤准直器、光阑、斩波器、1/4波片、楔镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、功率衰减器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一光开关、第二光开关均置于所述的恒温箱内，沿所述的光源输出的单模线偏振光方向，依次是所述的光纤衰减器、光纤准直器、光阑、斩波器、1/4波片和楔镜构成主光路，所述的光源部分提供窄线宽的激光输出，通过光纤衰减器调节输出功率，从光纤准直器出来之后的光路均为空间光。所述楔镜将主光路分为参考光路和测量光路，所述的测量光路的构成包括：功率衰减器、分光面相互平行放置的第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜，所述的第一偏振分光棱镜将入射光分为平行偏振光路和垂直偏振光路，所述的平行偏振光路依次是第一光开关、第二反射镜、第二偏振分光棱镜和待测探测器，所述的垂直偏振光路包括第三反射镜、第二光开关、第二偏振分光棱镜和待测探测器，所述的参考光路由在所述的楔镜的反射光方向依次由第一反射镜和标准探测器构成，从楔镜到标准探测器的参考光路和从楔镜到待测探测器的测量光路的光程相等，所述的标准探测器的输出端与第二锁相放大器的第一输入端相连，所述的待测探测器的输出端与所述的第一锁相放大器的第一输入端相连，所述的斩波器经所述的BNC-T型头分别与所述的第一锁相放大器的第二输入端、第二锁相放大器的第二输入端相连，所述的第一锁相放大器的输出端和第二锁相放大器的输出端经所述的数据采集卡和计算机的输入端相连，所述的待测探测器放置在二维电动机械移动平台上，所述的计算机的输出端与所述的二维电动机械移动平台的控制端相连。

所述参考光路和测量光路的功率通过光纤衰减器进行调节，参考光路打在标准探测器上的光功率保证在0.1微瓦至200微瓦之间，实际操作中，选定一个固定的功率，参考光路在整个光路调整好之后不再变化。

本发明的优点在于：

1、采用双光路法，减小了光源抖动带来的影响，使用恒温箱减小温度和杂散光的影响，因此装置运行稳定，抗干扰能力强。

2、利用斩波器和锁相放大器，能够对更微弱的信号进行测量，使用光纤衰减器和功率衰减器，实现更高的动态范围，因此该装置动态范围大，能够实现直线度和面响应均匀性的精确测量。

3、在光功率大于0.1微瓦的要求条件下，也可以不使用锁相放大器以减小成本，也可以使用不同的光源进行特定光波长的测量，因此装置简单，使用灵活。

附图说明

图1是本发明光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置结构示意图，从图1可以看出，本发明光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置的构成包括：光源1，光纤衰减器2和光纤准直器3、光阑4、斩波器5、1/4波片6、楔镜8、第一反射镜7、第二反射镜14、第三反射镜13、功率衰减器9、第一偏振分光棱镜10、第二偏振分光棱镜15、第一光开关11、第二光开关12和BNC-T型头19、第一锁相放大器20、第二锁相放大器21、标准光电探测器16、待测光电探测器17、数据采集卡22、计算机23和恒温箱18，上述元部件的位置关系如下：

所述的光源1、光纤衰减器2、光纤准直器3、光阑4、斩波器5、1/4波片6、楔镜8、第一反射镜7、第二反射镜14、第三反射镜13、功率衰减器9、第一偏振分光棱镜10、第二偏振分光棱镜15、第一光开关11、第二光开关12均置于所述的恒温箱18内，沿所述的光源1输出的单模线偏振光方向，依次是所述的光纤衰减器2、光纤准直器3、光阑4、斩波器5、1/4波片6和楔镜8构成主光路，该楔镜8将主光路分为参考光路和测量光路，所述的测量光路的构成包括：功率衰减器9、分光面相互平行放置的第一偏振分光棱镜10和第二偏振分光棱镜15，所述的第一偏振分光棱镜10将入射光分为平行偏振光路和垂直偏振光路，所述的平行偏振光路依次是第一光开关11、第二反射镜14、第二偏振分光棱镜15和待测探测器17，所述的垂直偏振光路包括第三反射镜13、第二光开关12、第二偏振分光棱镜15和待测探测器17，所述的参考光路由在所述的楔镜8的反射光方向依次由第一反射镜7和标准探测器16构成，从楔镜8到标准探测器16的参考光路和从楔镜8到待测探测器17的测量光路的光程相等，所述的标准探测器16的输出端与第二锁相放大器21的第一输入端相连，所述的待测探测器17的输出端与所述的第一锁相放大器20的第一输入端相连，所述的斩波器5经所述的BNC-T型头（19）分别与所述的第一锁相放大器20的第二输入端、第二锁相放大器21的第二输入端相连，所述的第一锁相放大器20的输出端和第二锁相放大器21的输出端经所述的数据采集卡22和计算机23的输入端相连，所述的待测探测器17放置在二维电动机械移动平台上，所述的计算机23的输出端与所述的二维电动机械移动平台的控制端相连。

所述的光源1为带光纤尾纤输出的激光器。

首先进行光路调整，将光路调整为如图1所示，所述光源部分包括带尾纤激光器1、光纤衰减器2和光纤准直器3，三者通过保偏光纤直接连接，带尾纤激光器1输出单模线偏振光，波长1053nm，光纤衰减器2至少有3个量级的衰减范围，光纤准直器3输出光斑大小为0.45mm；将激光器输出功率调节为3毫瓦，再调节光纤衰减器2直到光纤准直器3的输出功率为2.5毫瓦，此时光通过光阑4、斩波器5和1/4波片6到达楔镜8，楔镜8的反射率为4.6%，参考光路功率为0.112毫瓦，参考光路的光经过反射镜7（反射率为90%）到达标准探测器16的功率为0.1毫瓦，保证功率在标准探测器16的线性区间，楔镜8的透射率为92%，测量光路的光功率为1.85毫瓦，所述功率衰减器9有6个量级的衰减范围，能将测量光路的光最小衰减到2个纳瓦，光再通过两个偏振分光棱镜10、15，到达待测探测器17的最小功率为1个纳瓦，光纤衰减器2和功率衰减器9组合后，实际动态范围为0.05nw-0.5mw。

所述斩波器5将光调制为特定频率的方波，频率值的选取以远离50Hz及其倍数的交流电频率为宜，如选取80Hz、120Hz、230Hz等等均可以；斩波器5的斩波频率通过BNC-T型头19和锁相放大器20、21连接；标准探测器16的输出和锁相放大器21连接，待测探测器17的输出和锁相放大器20连接；数据采集卡22是双通道输入，A通道连接锁相放大器20，B通道连接锁相放大器21，最后通过计算机23进行控制采集；所述待测探测器17放置在二维电动机械台上，通过计算机23控制二维电动机械台的运动进行移动扫描。

在所述计算机23进行处理之前有如下假设：

令通过偏振分光棱镜10平行偏振的光单独到达待测探测器17的功率为P_A，则第一锁相放大器20的输出为V(P_A)，第二锁相放大器21的输出为V(P_AR)；令通过偏振分光棱镜10垂直偏振的光单独到达待测探测器17的功率为P_B，则第一锁相放大器20的输出为V(P_B)，第二锁相放大器21的输出为V(P_BR)；令平行偏振和垂直偏振的光一起到达待测探测器17的功率为P_A+P_B，则第一锁相放大器20的输出为V(P_A+P_B)，第二锁相放大器21的输出为V(P_(A+B)R)，直线度定义为式：

$\mathrm{\Δ}=\frac{V\left(P_A\right)/V\left(P_{\mathrm{AR}}\right)+V\left(P_B\right)/V\left(P_{\mathrm{BR}}\right)}{V(P_A+P_B)/V\left(P_{(A+B)R}\right)}---\left(I\right)$

调节功率衰减器9，每次以小于等于50%的衰减系数进行衰减，系数可以进行设定（这里以50%的系数进行衰减为例），由于动态范围是0.05nw-0.5mw，因此7个数量级衰减24次，可得到24个数据，计算相应功率(P_A+P_B)_i（i=1,2,3,……,24）下的直线度：

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{V{\left(P_A\right)}_i/V{\left(P_{\mathrm{AR}}\right)}_i+V{\left(P_B\right)}_i/V{\left(P_{\mathrm{BR}}\right)}_i}{V{(P_A+P_B)}_i/V{\left(P_{(A+B)R}\right)}_i}(i=\mathrm{1,2,3},......,24)---\left(\mathrm{II}\right)$

假设完成之后，首先进行待测探测器17的直线度测量，所述计算机23进行如下处理：

当功率衰减器9没有衰减，且经过偏振分光棱镜10平行偏振和垂直偏振的光路的光开关11、12均打开时，进入待测探测器的功率为1mw，以此为基准进行如下操作：

将功率衰减器9衰减50%，先打开平行偏振的光路的光开关11，关闭垂直偏振的光路的光开关12，计算机23控制数据采集卡22进行数据采集，A和B通道分别采集1000个数据，A通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_A)₁，B通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_AR)₁；再打开垂直偏振的光路的光开关12，关闭平行偏振的光路的光开关11，计算机23控制数据采集卡22进行数据采集，A和B通道分别采集1000个数据，A通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_B)₁，B通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_BR)₁；然后同时打开平行偏振和垂直偏振的光路的光开关11、12，计算机23控制数据采集卡22进行数据采集，A和B通道分别采集1000个数据，A通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_A+P_B)₁，B通道求取所采集的1000个数据的平均值，得到V(P_(A+B)R)₁；最后求取功率在0.5mw时的直线度：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{V{\left(P_A\right)}_1/V{\left(P_{\mathrm{AR}}\right)}_1+V{\left(P_B\right)}_1/V{\left(P_{\mathrm{BR}}\right)}_1}{V{(P_A+P_B)}_1/V{\left(P_{(A+B)R}\right)}_1}---\left(\mathrm{III}\right)$

接下来再将功率衰减器衰减50%，重复上面的操作，并将功率衰减器和光纤衰减器组合使用，以此类推便得到了功率范围在0.05nw-0.5mw之间的直线度Δ_i（i=1,2,3,……,24），如(II)式所示，共24个数据,在这24个数据里选择直线度最接近1的一个（如果有多个，则选择任意一个），例如Δ_n（1≤n≤24）最接近1,则令第n点的直线度修正系数θ_n＝1，那么其余任意点m的直线度修正系数为（IV）式：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_m=\underset{j=m}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_j& (m<n)\\ {\mathrm{\&theta;}}_m=\underset{j=n}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&Delta;}}_j& (m>n)\end{array}\right.---\left(\mathrm{IV}\right)$

由所得的直线度修正系数θ_m（m=1,2,3,……,24）可以判断相应的的线性区间及其好坏，判定如下：

在|θ_m-1|＞0.01（m=1,2,3,……,24）的相应功率区间，认为该待测探测器17直线度比较差，在0.01＜|θ_m-1|＜0.001（m=1,2,3,……,24）的相应功率区间，认为该待测探测器17直线度比较好，在|θ_m-1|＜0.001（m=1,2,3,……,24）的相应功率区间，则认为该待测探测器17直线度非常好；至此，可以得到待测探测器17在不同功率下的直线度和所需的线性区间。

然后进行待测探测器17的面响应均匀性测量，这时光开关11、12始终打开，光束入射在标准探测器16和待测探测器17上的光斑直径为1mm，通过计算机26对装夹待测探测器17的二维电动机械台进行扫描控制，扫描控制的间距为1mm，扫描的轮廓为正方形，正方形尺寸为待测探测器17探测面的***最大长度（假设测得的最大长度为S毫米，则需要扫描的点为N个，N=S×S），以包括待测探测器17的整个探测面，扫描的起点为正面向待测探测器17时左下角为坐标圆点，假设坐标为(X,Y)(0≤X≤S,0≤Y≤S)。

调节功率衰减器9，使测量光入射到待测探测器17的功率P_OS尽量接近参考光入射到标准探测器（16）的功率P_OSR＝0.1毫瓦，调节的标准是A通道所采集的数据尽量等于B通道所采集的数据；调节好之后，保证测量光路的位置和光功率不变，假设调节后实际的入射功率为P_OS（P_OS≈P_OSR）。

计算机23控制二维机械电动台进行待测探测器17的探测面扫描，从坐标原点开始，扫描坐标为(X,Y)(0≤X≤S,0≤Y≤S)，待测探测器17先向X轴负轴方向运动，进行一维水平扫描，水平扫描点为S个，水平扫描结束后，将待测探测器17向Y轴负轴方向移动1mm，然后向X轴正方向运动，进行一维水平扫描，水平扫描点为S个，以此类推进行整个面的扫描。

扫描过程中，计算机23控制数据采集卡22进行数据采集和处理过程如下：

每当扫描一个点(X,Y)(0≤X≤S,0≤Y≤S)时，A通道采集1000个数据，求取平均值，A通道所得结果为V(P_OS)_(X,Y)；B通道采集1000个数据，求取平均值，B通道所得结果为V(P_OSR)_(X,Y)，然后求取A通道和B通道的比值作为该坐标点的响应值，如（V）式：

在得到每个点（X,Y）(0≤X≤S,0≤Y≤S)的响应值

（0≤X≤S,0≤Y≤S)之后，弃掉响应值

的点，保留响应值

的点，求取所有剩余响应值

的标准偏差σ，用3σ表示测量不确定度，用测量不确定度表征待测探测器17的面响应均匀性，至此便得到待测探测器17的面响应均匀性。

综上所述，本发明装置能够实现光电探测器直线度和面响应均匀性的精确测量，具有运行稳定、抗干扰性强、动态范围大、测量方便快捷等优点，重复测量精度优于0.08%。

Claims (2)

1.一种光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置，特征在于其构成包括：光源（1），光纤衰减器（2）和光纤准直器（3）、光阑（4）、斩波器（5）、1/4波片（6）、楔镜（8）、第一反射镜（7）、第二反射镜（14）、第三反射镜（13）、功率衰减器（9）、第一偏振分光棱镜（10）、第二偏振分光棱镜(15）、第一光开关（11）、第二光开关(12）和BNC-T型头（19）、第一锁相放大器（20）、第二锁相放大器（21）、标准光电探测器（16）、待测光电探测器（17）、数据采集卡（22）、计算机（23）和恒温箱（18），上述元部件的位置关系如下：

所述的光源（1）、光纤衰减器（2）、光纤准直器（3）、光阑（4）、斩波器（5）、1/4波片（6）、楔镜（8）、第一反射镜（7）、第二反射镜（14）、第三反射镜（13）、功率衰减器（9）、第一偏振分光棱镜（10）、第二偏振分光棱镜(15）、第一光开关（11）、第二光开关(12）均置于所述的恒温箱（18）内，沿所述的光源（1）输出的单模线偏振光方向，依次是所述的光纤衰减器（2）、光纤准直器（3）、光阑（4）、斩波器（5）、1/4波片（6）和楔镜（8）构成主光路，该楔镜（8）将主光路分为参考光路和测量光路，所述的测量光路的构成包括：功率衰减器（9）、分光面相互平行放置的第一偏振分光棱镜（10）和第二偏振分光棱镜(15），所述的第一偏振分光棱镜（10）将入射光分为平行偏振光路和垂直偏振光路，所述的平行偏振光路依次是第一光开关（11）、第二反射镜（14）、第二偏振分光棱镜(15）和待测探测器（17），所述的垂直偏振光路包括第三反射镜（13）、第二光开关(12）、第二偏振分光棱镜(15）和待测探测器（17），所述的参考光路由在所述的楔镜（8）的反射光方向依次由第一反射镜（7）和标准探测器（16）构成，从楔镜（8）到标准探测器（16）的参考光路和从楔镜（8）到待测探测器（17）的测量光路的光程相等，所述的标准探测器（16）的输出端与第二锁相放大器（21）的第一输入端相连，所述的待测探测器（17）的输出端与所述的第一锁相放大器（20）的第一输入端相连，所述的斩波器（5）经所述的BNC-T型头（19）分别与所述的第一锁相放大器（20）的第二输入端、第二锁相放大器（21）的第二输入端相连，所述的第一锁相放大器（20）的输出端和第二锁相放大器（21）的输出端经所述的数据采集卡（22）和计算机（23）的输入端相连，所述的待测探测器（17）放置在二维电动机械移动平台上，所述的计算机（23）的输出端与所述的二维电动机械移动平台的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的光电探测器直线度和面响应均匀性的测量装置，其特征在于：所述的光源（1）为带光纤尾纤输出的激光器。

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