CN103438993B - 光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，包括光源、第一光阑、光功率稳定器、光功率衰减器、第二光阑、分光棱镜、第一光开关、第二光开关、第一反射镜、第二反射镜、积分球、待测光电探测器、电信号放大器、数据采集卡、计算机和恒温箱，本发明装置主要采用积分球出射光照度均匀特性，利用激光光源的线宽窄、功率稳定等优点，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，具有方便快捷、动态范围大、抗干扰性强等优点，其重复测量精度优于0.05%。

Description

光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置

技术领域

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

背景技术

随着红外探测技术的发展应用，出现了一系列性能优良的红外探测器，如何提高测量精度和客观地评价其技术性能，为实际应用提供可靠的计量保证，已越来越受到人们的重视。线性度是光电探测器性能的一个重要表征量，线性度测量是计量学研究的基本问题之一。多数传感器和测量***都存在线性问题,一般情况下对一个传感器或测量仪器的定标只可能是在有限点进行,对于定标点以外的其他区域只能靠传感器和测量仪器的线性度来推算,所以红外探测器光谱响应度的均匀性及直线性一直被认为是评价红外探测器性能的关键技术指标，线性度的测量精度有着重要的现实意义。但是实际中厂家都没有提供大面积探测器面响应均匀性，同时由于探测器参数差异很大，市场上也很难找到合适的光电探测器直线度测量仪器，所以需要一种精度高、响应范围大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和测量方法，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，能够实现光功率在0.06nw～0.6mw的动态范围内的测量，并且具有运行稳定、抗干扰能力强、重复测量精度高的特点。

本发明解决的技术方案如下：

一种光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，特征在于其构成包括：光源、第一光阑、光功率稳定器、光功率衰减器、第二光阑、分光棱镜、第一光开关、第二光开关、第一反射镜、第二反射镜、积分球、待测光电探测器、电信号放大器、数据采集卡、计算机和恒温箱，上述元器件的位置关系如下：

所述的光源、第一光阑、光功率稳定器、光功率衰减器、第二光阑、分光棱镜、第一光开关、第二光开关、第一反射镜、第二反射镜、积分球、待测光电探测器和电信号放大器均置于所述的恒温箱内，沿所述的光源出射的单模线偏振光方向，依次是所述的第一光阑、光功率稳定器、光光功率衰减器、第二光阑和分光棱镜，入射光经过所述的分光棱镜分为透射光和反射光，所述的透射光依次经第一光开关、第一反射镜进入积分球的第一入口，所述反射光依次经过所述的第二光开关、第二反射镜进入积分球的第二入口，光束从积分球的出口入射到待测光电探测器，所述待测光电探测器输出端经所述的电信号放大器、数据采集卡和所述的计算机的输入端相连，所述的待测光电探测器放置在二维可调机械移动平台上，所述的计算机的输出端与所述的二维可调机械移动平台的控制端相连，所述的分光棱镜为具有一定透反比的棱镜，从分光棱镜经第一光开关、第一反射镜到积分球的光程与从分光棱镜经第二光开关、第二反射镜到积分球的光程相等。

所述的积分球出口包含一个可变光阑。

所述的待测光电探测器感光面紧贴所述的积分球的出口。

所述测量光功率调节是通过光源（功率可调激光器）和光功率衰减器共同作用来实现的。

本发明的优点在于：

1、采用高精度光功率稳定器，不确定度<0.02%，可以保证光源输出稳定。

2、采用双光路法，进一步降低了光源抖动对***的影响，使用封闭恒温箱减小温度和杂散光的影响，因此装置抗干扰能力强，可以稳定运行。

3、采用积分球，这样到达待测光电探测器的光束具有极高的均匀性，避免了在激光直射下因光束不均匀引起的误差，另外积分球出口大小可调，可以测量在不同光斑尺寸下探测器的性能。

4、采用电信号放大装置，放大探测器信号，可以在引入很小误差下极大地提高测量范围。

附图说明

图1是本发明光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置的光路示意图

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线性区间及其面响应特性测量装置的光路示意图，由图可见，本发明光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，构成包括：光源1、第一光阑2、光功率稳定器3、光功率衰减器4、第二光阑5、分光棱镜6、第一光开关7、第二光开关8、第一反射镜9、第二反射镜10、积分球11、待测光电探测器12、电信号放大器13、数据采集卡14、计算机15和恒温箱16，上述元器件的位置关系如下：

所述的光源1、第一光阑2、光功率稳定器3、光光功率衰减器4、第二光阑5、分光棱镜6、第一光开关7、第二光开关8、第一反射镜9、第二反射镜10、积分球11、待测光电探测器12和电信号放大器13均置于所述的恒温箱16内，沿所述的光源1出射的单模线偏振光方向，依次是所述的第一光阑2、光功率稳定器3、光光功率衰减器4、第二光阑5和分光棱镜6，入射光经过所述的分光棱镜6分为透射光和反射光，所述的透射光依次经第一光开关7、第一反射镜9进入积分球11的第一入口，所述反射光依次经过所述的第二光开关8、第二反射镜10进入积分球11的第二入口，光束从积分球11的出口入射到待测光电探测器12，所述待测光电探测器12输出端经所述的电信号放大器13、数据采集卡14和所述的计算机15的输入端相连，所述的待测光电探测器12放置在二维可调机械移动平台上，所述的计算机15的输出端与所述的二维可调机械移动平台的控制端相连，所述的分光棱镜6为具有一定透反比的棱镜，从分光棱镜6经第一光开关7、第一反射镜9到积分球11的光程与从分光棱镜6经第二光开关8、第二反射镜10到积分球11的光程相等。

所述的积分球11出口包含一个可变光阑。

所述的待测光电探测器12感光面紧贴所述的积分球11的出口。

下面是一个实施例的参数：

所述光源1是功率可调激光器1，输出单模线偏振光激光，通过第一光阑2入射到光功率稳定器3，输出稳定激光，最大输出功率100mw，可调范围大于一个量级，波长1053nm，可调范围0～10mW，输出光斑为3mm，光功率稳定器3的波动<0.02%；将激光器输出功率调节为85mW，再调节光功率稳定器3使输出功率为80mW，再调节光光功率衰减器4，使激光100%透过，此时光通过第二光阑5到达分光棱镜6，该分光棱镜的透射反射比为1:1，透射光、反射光通过不同路径最终进入积分球11，从积分球11出口出射的光照射到待测的光电探测器的感光面上；所述的积分球11在3mm输出口径下输出光功率约为入射光功率的1.5%，在10mm输出口径下输出光功率约为入射光功率的24.2%，所述光光功率衰减器4有6个量级衰减范围，能将测量光路的光最小衰减到80nW，光通过分光棱镜6到达积分球11的最小功率为40nW，最终出射到待测光电探测器12上的最小功率为0.6nw，激光器1和光光功率衰减器4配合使用，可实现动态范围0.06nw～0.6mw。

待测光电探测器12输出端连接电信号放大器13,电信号放大器13的输出端与数据采集卡14连接，最后通过计算机15进行控制采集；所述的电信号放大器13提供0～70dB的放大，所述待测光电探测器12放在二维电动机械台上，通过计算机15控制二维电动机械台。

待测光电探测器12的直线度进行测量。

假定电信号放大器13放大倍数为0dB，通过分光棱镜6透射光单独到达待测光电探测器12的功率为P_T，则电信号放大器13的输出为V(P_T)；令通过分光棱镜6的反射光单独到达待测光电探测器12的功率为P_R，则电信号放大器13的输出为V(P_R)；令透射和反射光一起到达待测光电探测器12的功率为P_T+P_R，则第电信号放大器13的输出为V(P_T+P_R)，直线度定义为式：

$k=\frac{V(P_T+P_R)}{V\left(P_T\right)+V\left(P_R\right)}---\left(1\right)$

通过调节光功率衰减器4，每次以50%的衰减幅度进行衰减，共衰减20次，可得到21个数据，计算相应功率(P_T+P_R)_i（i=1,2,3,……,21）下的直线度：

$k_i=\frac{V{(P_T+P_R)}_i}{V{\left(P_T\right)}_i+V{\left(P_R\right)}_i}(i=\mathrm{1,2,3},......,21)---\left(2\right)$

测量前先做如下设置：光功率衰减器4没有衰减，积分球11出口为3mm，且分光棱镜6的透射光和反射光路中的第一光开关9、第二光开关10同时打开，则进入待测光电探测器12的功率为1.2mw（此为基准探测功率）。

打开透射光路的第一光开关9，关闭反射光路光路的第二光开关10，计算机15控制数据采集卡14进行数据采集，采集2000个数据，取所采集数据的平均值，得到V(P_T)₁；再打开反射光路的第二光开关10，关闭透射光路的第一光开关9，数据采集卡14进行数据采集，采集2000个数据，取所采集数据的平均值，得到V(P_R)₁；然后同时打开透射光路和反射光路的第一光开关9、第二光开关10，数据采集卡14进行数据采集，采集2000个数据，取所采集数据的平均值，得到V(P_T+P_R)₁；最后利用下列公式（3）求取功率在0.6mw时的直线度：

$k_1=\frac{V{(P_T+P_R)}_1}{V{\left(P_T\right)}_1+V{\left(P_R\right)}_1}---\left(3\right)$

然后调节光功率衰减器4，将光功率衰减50%，重复上面的操作，以此类推便得到了功率范围为0.6nw-0.6mw的直线度k_i（i=1,2,3,……,21），如(2)式所示，共21个数据,在这21个数据里选择k_i最接近1的一个，假设k_n（1≤n≤21）最接近1,令第n点的直线度修正系数C_n＝1，那么其余任意点m的直线度修正系数为（4）式：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_m=\underset{j=m}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Pi;}}}{k}_j& (m<n)\\ C_m=\underset{j=n}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Pi;}}}{k}_j& (m>n)\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据直线度的修正系数C_m（m=1,2,3,……,21）可以判断相应的线性区间及其好坏，判定如下：

直线度比较差：         |C_m-1|＞0.01（m=1,2,3,……,21）

直线度比较好：0.001＜|C_m-1|＜0.01（m=1,2,3,……,21）

直线度非常好：       |C_m-1|＜0.001（m=1,2,3,……,21）

至此，可以得到待测光电探测器12探测功率直线度和线性区间。

接下来对待测光电探测器12的面响应均匀性进行测量，整个测量过程中第一光开关9,第二光开关10始终打开，积分球11输出在待测光电探测器12上的光斑直径为1mm，通过计算机15控制二维电动机械台，扫描控制的间距为1mm，扫描的轮廓为矩形（圆形探测器也按矩形扫描），矩形尺寸为待测光电探测器12探测面的最大尺寸（假设测得的最大长度为L毫米，最大宽度为W毫米，则需要扫描的点为N个，N=L×W），这样就可扫描到待测光电探测器12的整个探测面，以探测面左下角为扫描的起点（坐标原点），假设坐标为(X,Y)(0≤X≤L,0≤Y≤W)。

调节光功率稳定器3，将输出功率稳定在为80mW，调节光功率衰减器4为不衰减，使测量光入射到待测光电探测器12的功率尽量大一些；调节好之后，保证测量光路的位置、光功率及其他配置不变，设调节后实际入射到探测器的光功率为P_OUT。

计算机15控制二维机械电动台进行待测光电探测器12的探测面扫描，从坐标原点（0,0）开始，扫描坐标为(X,Y)(0≤X≤L,0≤Y≤W)，待测光电探测器12先从（0,0）点向（L，0）点进行一维水平扫描，水平扫描点为L个，水平扫描结束后，将待测光电探测器移到（L，1）点，然后向（0,1）点方向运动，进行一维水平扫描，以此类推进行整个面的扫描，水平扫描点为L个，垂直扫描点为W个。

扫描过程中，计算机15控制数据采集卡14进行数据采集和处理。每当扫描一个点(X,Y)(0≤X≤L,0≤Y≤W)，采集2000个数据，求取平均值，所得结果为V(P_OUT)_(X,Y)，然后求出平均值，得到各坐标下的响应值δ_(X,Y)，见（5）式：

${\mathrm{\&delta;}}_{(X,Y)}=V{\left(P_{\mathrm{OUT}}\right)}_{(X,Y)}/\stackrel{\&OverBar;}{V\left(P_{\mathrm{OUT}}\right)}(0\&le;X\&le;L,0\&le;Y\&le;W)---\left(5\right)$

在得到所有点的响应值δ_(X,Y)（0≤X≤L,0≤Y≤W)之后，舍掉响应值δ_(X,Y)<0.8和δ_(X,Y)>1.2的点，保留响应值0.8≤δ_(X,Y)≤1.2的点，求取所有剩余响应值δ_(X,Y)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光电探测器12的面响应均匀性，这样便得到待测光电探测器12的面响应均匀性。

实验表明，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，具有方便快捷、动态范围大、抗干扰性强等优点，其重复测量精度优于0.05%。

Claims (3)

1.一种光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，特征在于其构成包括：光源(1)、第一光阑(2)、光功率稳定器(3)、光功率衰减器(4)、第二光阑(5)、分光棱镜(6)、第一光开关(7)、第二光开关(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、积分球(11)、待测光电探测器(12)、电信号放大器(13)、数据采集卡(14)、计算机(15)和恒温箱(16)，上述元器件的位置关系如下：

所述的光源(1)、第一光阑(2)、光功率稳定器(3)、光功率衰减器(4)、第二光阑(5)、分光棱镜(6)、第一光开关(7)、第二光开关(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、积分球(11)、待测光电探测器(12)、电信号放大器(13)、数据采集卡(14)、计算机(15)均置于所述的恒温箱(16)内，沿所述的光源(1)出射的单模线偏振光方向，依次是所述的第一光阑(2)、光功率稳定器(3)、光功率衰减器(4)、第二光阑(5)和分光棱镜(6)，入射光经过所述的分光棱镜(6)分为透射光和反射光，所述的透射光依次经第一光开关(7)、第一反射镜(9)进入积分球(11)的第一入口，所述反射光依次经过所述的第二光开关(8)、第二反射镜(10)进入积分球(11)的第二入口，从积分球(11)的出口出射的光束入射到待测光电探测器(12)上，所述待测光电探测器(12)输出端经所述的电信号放大器(13)、数据采集卡(14)和所述的计算机(15)的输入端相连，所述的待测光电探测器(12)放置在二维可调机械移动平台上，所述的计算机(15)的输出端与所述的二维可调机械移动平台的控制端相连；从所述的分光棱镜(6)经第一光开关(7)、第一反射镜(9)到积分球(11)的光程与从分光棱镜(6)经第二光开关(8)、第二反射镜(9)到积分球(11)的光程相等。

2.根据权利要求1所述的光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，其特征在于，所述的积分球(11)出口包含一个可变光阑。

3.根据权利要求1或2所述的光电探测器线性区间及其面响应特性测量装置，其特征在于，所述的待测光电探测器(12)感光面紧贴所述的积分球(11)的出口。