CN117490858A - 一种红外探测器光谱测试装置及方法 - Google Patents

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CN117490858A CN202311420239.XA CN202311420239A CN117490858A CN 117490858 A CN117490858 A CN 117490858A CN 202311420239 A CN202311420239 A CN 202311420239A CN 117490858 A CN117490858 A CN 117490858A
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王京飞
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Abstract

本发明提出了一种红外探测器光谱测试装置及方法，涉及红外技术领域，该装置包括：高温黑体、单色仪，高温黑体与单色仪之间可选择地配置有被测探测器或标准探测器，上位计算机用于计算并呈像相对光谱响应曲线。该方法包括：配置被测探测器在单色仪出光孔前，运行探测器；控制入射光源为单一波段，记录光谱响应；多次改变光源波长，重复记录，获得被测探测器的光谱响应曲线；配置标准探测器在单色仪出光孔前，运行标准探测器；重复上述步骤获得标准探测器光谱响应曲线；获得相对光谱响应曲线；获得被测探测器性能参数。本发明的红外探测器光谱测试装置及方法具有通用性，灵活高效，能够提高测试效率。

Description

一种红外探测器光谱测试装置及方法
技术领域
本发明涉及红外技术领域，尤其涉及一种红外探测器光谱测试装置及方法。
背景技术
红外探测器是一种能够感知和测量红外辐射的器件，它能够将红外光作为感知对象，将红外辐射转换为信号输出的器件。数字化红外探测器的性能测试是其生产过程中的重要环节，通过光谱测试可以评估探测器的性能、工作波段、灵敏度和探测范围、分辨力和特征分析能力、信噪比和探测限信息等，还可以优化光学***的匹配并保证数据的可靠性和可重复性。
传统的模拟型红外探测器具有输出为模拟电压，且技术相对成熟的优势，因此市场上存在通用的光谱测试设备用于测试。
近年来，红外探测器在多个领域得到了广泛的应用，随着探测器技术的不断发展和进步，出现了在读出电路上集成数模转换模块的新型的数字化红外探测器：数字信号处理单元将预处理后的信号进行数字化转换，使用数字信号处理算法进行进一步的分析和处理，最终生成数字信号进行输出。
数字化红外探测器的ADC(模数转换器)位置差异以及不同的信号输出方式，如像素级数字化输出电路的并行多路输出和列级数字化使用的差分信号输出，给红外光谱测试***和测试方法的通用性及精度带来了困难。
对于数字化红外探测器，ADC可能位于像素级别或列级别。在像素级别，每个像素都有自己的ADC，这使得每个像素都可以独立地数字化其接收到的光信号。这种配置通常用于高分辨率和高灵敏度的应用。而在列级别，一整列像素共享一个ADC，这使得信号处理更加高效，但可能限制了探测器的分辨率和灵敏度。由于ADC位置的不同，针对某种特定类型的数字化红外探测器设计的测试***可能无法适用于另一种类型。
此外，像素级数字化输出电路通常采用并行多路输出，这意味着多个像素可以同时输出数字化信号。这种并行处理可以提高数据处理速度，但可能需要更复杂的电路设计和同步问题；而列级数字化则通常使用差分信号输出，这可以增强信号的抗干扰能力，但可能需要更复杂的信号处理和解读。
由于上述差异，现有的针对红外探测器的红外光谱测试***和测试方法往往需要针对特定类型的红外探测器进行设计和优化，这限制了它们的通用性，同时也增加了开发和维护这些测试***的复杂性。
发明内容
为克服上述红外探测器的红外光谱测试***和测试方法所存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种满足不同型号的红外探测器的测试需求的红外探测器光谱测试装置及方法。
就红外探测器光谱测试装置而言，本发明为解决所述技术问题的红外探测器光谱测试装置包括：
用于为红外探测器光谱测试提供红外辐射光谱的高温黑体；
单色仪，用于是产生单色光，并对光谱进行分析和特性测量；
所述高温黑体与所述单色仪之间可选择地配置有被测探测器或标准探测器；
所述被测探测器和所述标准探测器被配置为与上位计算机连接，所述上位计算机用于计算并呈像所述被测探测器的光谱响应曲线和所述标准探测器的光谱响应曲线的相对光谱响应曲线。
作为红外探测器光谱测试装置的改进，所述标准探测器为已知光谱的、无选择性探测器，所述标准探测器连接有锁相放大器，所述锁相放大器用于在标定标准探测器光谱响应时，读取标准探测器的响应信号。
作为红外探测器光谱测试装置的改进，所述高温黑体与所述单色仪之间连接有斩波器，当高温黑体与单色仪之间配置为标准探测器时，所述斩波器打开，当高温黑体与单色仪之间配置为被测探测器时，所述斩波器关闭。
作为红外探测器光谱测试装置的改进，所述上位计算机与所述单色仪通信连接，所述单色仪连接有滤光轮，所述上位计算机控制单色仪和滤光轮发出指定波长红外光。
作为红外探测器光谱测试装置的改进，所述上位计算机包括用于采集红外探测器的输出信号的采集卡。
与相关技术相比，本发明的红外探测器光谱测试装置具有以下特点：首先，可以满足模拟红外探测器光谱测试，也可以满足不同型号的数字化红外探测器的测试需求，即有通用性。其次，保证了测试的精度，确保测试结果的可靠。最后，测试方式和过程应灵活高效，保证能够提高测试效率。
就红外探测器光谱测试方法而言，本发明为解决所述技术问题的红外探测器光谱测试方法采用上述红外探测器光谱测试装置，包括如下步骤：
配置被测探测器在单色仪出光孔前，运行探测器；
控制入射光源为单一波段，记录被测探测器对光源的光谱响应；
多次改变光源波长，重复记录被测探测器对光源的响应，获得被测探测器设定波长范围内的光谱响应曲线；
配置标准探测器在单色仪出光孔前，运行标准探测器；
控制入射光源为单一波段，记录标准探测器对光源的光谱响应；
多次改变光源波长，重复记录被测探测器对光源的响应，获得标准探测器设定波长范围内的光谱响应曲线；
比较所述被测探测器的响应曲线与所述标准探测器的光谱响应曲线，获得相对光谱响应曲线；
根据所述相对光谱曲线，获得被测探测器性能参数。
作为红外探测器光谱测试方法的改进，所述被测探测器对光源的光谱响应通过将单一波段光源前后输出响应数字信号的数值做差获得。
作为红外探测器光谱测试方法的改进，所述标准探测器对光源的光谱响应通过将单一波段光源前后输出响应数字信号的数值做差获得。
作为红外探测器光谱测试方法的改进，所述相对光谱响应通过以下公式获得：
其中，Rtest(λ)表示相对光谱响；Vtest(λ)表示测探测器的绝对光谱响应；P(λ)表示标准探测器在λ波长下的红外辐射功率；Rstd(λ)表示标准探测器本身的光谱响应率为；Vstd(λ)表示标准探测器的响应。
作为红外探测器光谱测试方法的改进，所述设定红外光的波长范围包含对应探测器的所有响应区间。
与相关技术相比，本发明的红外光谱测试方法通过对数字化红外探测器输出的采集配置以及模拟探测器光谱测试方法的结合，在实现数字化红外探测器光谱响应测试的同时具有稳定性高，测试准确，兼容性高等优点，可以满足各类不同型号的数字化红外探测器或者是装有输出模数转换电路板的模拟红外探测器的光谱测试工作。
附图说明
图1为根据本发明实施例的红外探测器的具体工作方式原理图；
图2为根据本发明实施例的红外探测器光谱测试装置的结构图；
图3为根据本发明实施例的上位计算机控制原理图；
图4为根据本发明实施例的红外探测器光谱测试方法流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
红外探测器是一种能够感知和测量红外辐射的器件，它能够将红外光作为感知对象，将红外辐射转换为信号输出的器件。近年来，红外探测器在多个领域得到了广泛的应用，随着探测器技术的不断发展和进步，出现了在读出电路上集成数模转换模块的新型的数字化红外探测器：数字信号处理单元将预处理后的信号进行数字化转换，使用数字信号处理算法进行进一步的分析和处理，最终生成数字信号进行输出。
数字化红外探测器的性能测试是数字化红外焦平面探测器生产过程中重要的一环，也是评价数字化红外探测器能否正常使用的关键步骤。而光谱测试又是红外探测器性能测试不可缺少的部分，通过对数字化红外探测器的光谱响应的测试评估，可以对探测器的期间性能进行评估、确定探测器的工作波段、优化后续灵敏度和探测范围、评估探测器的分辨力和特征分析能力、评估探测器的信噪比和探测限信息以及优化光学***的匹配，并且对数据的可靠性进行保证，保证数据的可重复性和比较性。
光谱响应是衡量光电转换器件对不同波长光响应程度的指标，其原理基于光电效应。数字化红外探测器在原理上与传统的模拟红外探测器相同，都是利用光电效应将红外光的光能转化成电子能量。当红外光照射到红外探测器的PN结或活性层时，光能会被吸收，产生电子-空穴对，这些电子和空穴在被加电场分离时，会产生电流，称为光电流。光电流的大小在入射光能量相同时，和探测器对红外光的吸收能力直接相关。红外探测器采用具有特定能带结构的半导体材料，材料对不同谱段红外光具有不同的吸收特性，产生的光生电流大小也不同，经过读出电路读出后产生的数字信号码值也不同，根据信号码值，即响应的大小，就可以判定探测器的光谱响应。
数字化红外探测器的工作方式较传统的红外探测器不同，参见图1，图1为根据本发明实施例的数字化红外探测器的具体工作方式原理图，如图所示，数字化红外探测器的工作方式可以概括为以下几个步骤：
目标检测：数字化红外探测器的感应器芯片能够感应到来自目标(例如物体或人体)的红外辐射。
信号转换：感应器芯片将红外辐射转换为电信号。这个过程中，电信号的大小与红外辐射的强度成正比。
信号处理：电信号经过读出电路的处理，进行放大、滤波等操作，以便于后续的数据处理。
数据采集：经过处理的电信号被送入数据采集***，通过数字化转换器(如ADC)将其转换为数字信号。
数据处理：数字信号被送入处理器或计算机进行处理。通过分析这些数据，可以确定目标的位置、形状、大小等特征。
输出结果：处理后的数据被输出到显示器或其他设备，以供用户查看和分析。
在数字化红外探测器中，偏置电压和时序信号是关键的控制信号。偏置电压用于设置探测器的基准工作点，时序信号则用于控制探测器在各个时间点的操作顺序和工作状态。这些控制信号由驱动电路板产生并发送到探测器芯片，确保探测器能够正确地工作。
数字化红外探测器的ADC位置差异以及不同的信号输出方式，如像素级数字化输出电路的并行多路输出和列级数字化使用的差分信号输出，给红外光谱测试***和测试方法的通用性及精度带来了困难。
对于数字化红外探测器，ADC可能位于像素级别或列级别。在像素级别，每个像素都有自己的ADC，这使得每个像素都可以独立地数字化其接收到的光信号。这种配置通常用于高分辨率和高灵敏度的应用。而在列级别，一整列像素共享一个ADC，这使得信号处理更加高效，但可能限制了探测器的分辨率和灵敏度。由于ADC位置的不同，针对某种特定类型的数字化红外探测器设计的测试***可能无法适用于另一种类型。
此外，像素级数字化输出电路通常采用并行多路输出，这意味着多个像素可以同时输出数字化信号。这种并行处理可以提高数据处理速度，但可能需要更复杂的电路设计和同步问题；而列级数字化则通常使用差分信号输出，这可以增强信号的抗干扰能力，但可能需要更复杂的信号处理和解读。
由于上述差异，现有的针对红外探测器的红外光谱测试***和测试方法往往需要针对特定类型的红外探测器进行设计和优化，这限制了它们的通用性，同时也增加了开发和维护这些测试***的复杂性。
为了满足数字化红外探测器的光谱测试需求并保证其生产任务，需要设计一种配套的数字化红外光谱测试装置，并开发相应的数字化红外光谱测试方法。
参见图2，就数字化红外光谱测试装置而言，本发明实施例提供的数字化红外光谱测试装置包括：
高温黑体，所述高温黑体的主要作用是通过高温的方式为数字化红外探测器光谱测试提供红外辐射光谱。
所述高温黑体连接有斩波器，所述斩波器起到调制光束的作用。
所述斩波器连接有滤光轮及单色仪，所述单色仪主要作用是产生单色光，并对光谱进行分析和特性测量。具体实施时，滤光轮及单色仪配合使用，设置于在红外焦平面探测器窗口与黑体辐射面之间,滤光轮可以控制减少其他波段红外光对测试波段的影响；所述单色仪的主要作用是产生单色光。
单色仪则通过切换光栅和调节其内部狭缝，接收黑体产生的红外辐射后进行单一波长分光提供给探测器，在本实施中，高温黑体与单色仪之间可选择地配置有标准探测器和被测探测器。单色仪接收黑体产生的红外辐射后进行单一波长分光提供给被测探测器，从而能够完成光谱测试；单色仪接收黑体产生的红外辐射后进行单一波长分光提供给标准探测器，用于探测单色仪在某个波长下的红外光强度。
在本实施例中，标准探测器是一种已知光谱的探测器，这种探测器是一种无选择性探测器，它在任意谱段都具有相同的响应率，因此可以用来探测单色仪在某个波长下的红外光强度，保证能够将被测探测器的光谱曲线进行归一化处理。
所述标准探测器连接有锁相放大器，锁相放大器的主要作用是在标定标准探测器光谱响应时，用于准确读取标准探测器的响应信号；所述被测探测器连接有探测器驱动电路，所述探测器驱动电路的作用是给数字化红外探测器提供适应的电源电压、偏置电压和时序信号，保证其能够稳定工作，产生数字输出信号。
所述锁相放大器和所述被测探测器与上位计算机及采集卡可选择地连接，所述采集卡对数字化红外探测器的输出信号进行采集，将信号输入上位计算机。在本实施例中，所述采集卡为camera-link采集卡，安装在上位计算机中，配有规范传输协议的camera-link采集卡对数字化红外探测器的输出信号进行采集，将数字化红外探测器的数字信号输出在计算机内部进行解码，并根据camera-link采集卡的帧、行和采集触发信号将实现数字图像呈现在编写好的上位计算机数字化红外光谱采集软件中。
所述上位计算机除了上述的呈像作用外，还用于发出控制信号命令单色仪、滤光轮发出指定波长红外光、对特定光谱测试点位进行安置，以及对光谱响应曲线的绘制、归一化处理和输出前截止波长、后截止波长和G因子等功能，具体如图3所示，图3为根据本发明实施例的上位计算机控制原理图。
在具体实施过程中，参见图2-3，数字化红外探测器在指定的工作温度下运行，提供其合适的电源电压、偏置电压、偏置电流和时序信号后，器件会被其材料对应的红外光波段的光子激发产生电流。数字化读出电路再将电流转换为数字信号从探测器输出管脚输出出来，因此可通过控制入射数字化红外探测器的光源为单一波段，再对其发射单波段光源前后输出响应数字信号的数值做差，就可求得该探测器在该波段的红外光下产生的响应。
通过不断略微改变入射单一波段光源的波长并记录响应差值并绘制曲线图形，就可以统计出一段波长范围内的响应，确保这段红外光的波长范围包含了该探测器的所有响应区间后，将该响应曲线和标准探测器的光谱响应值进行比对，就可以计算出被测探测器的相对光谱响应，从而获得前、后截止、波长范围、G因子信息。
这种数字化红外探测器光谱测试装置具有以下特点：首先，可以满足模拟红外探测器光谱测试，也可以满足不同型号的数字化红外探测器的测试需求，即有通用性。其次，保证了测试的精度，确保测试结果的可靠。最后，测试方式和过程应灵活高效，保证能够提高测试效率。
参见图4，就数字化红外光谱测试方法而言，本发明实施例在数字化红外光谱测试装置的基础上提供一种数字化红外光谱测试方法，该方法包括：
S100，配置被测探测器在单色仪出光孔前，运行探测器。该步骤中，在指定的工作温度下运行数字化红外探测器，并提供合适的电源电压、偏置电压、偏置电流和时序信号。
S200，控制入射光源为单一波段，记录探测器对光源的响应。该步骤中，通过控制入射数字化红外探测器的光源为单一波段，然后记录探测器对单一波段光源的发射前后输出响应数字信号的数值。
具体实施时，计算该探测器在该波段的红外光下产生的响应的方法是将单一波段光源前后输出响应数字信号的数值做差。数字化读出电路再将电流转换为数字信从探测器输出管脚输出出来，因此可通过控制入射数字化红外探测器的光源为单一波段，再对其发射单波段光源前后输出响应数字信号的数值做差，就可求得该探测器在该波段的红外光下产生的响应。
S300，多次改变光源波长，重复步骤S200，获得被测探测器设定波长范围内的光谱响应曲线。通过不断略微改变入射单一波段光源的波长并记录响应差值并绘制曲线图形，就可以统计出一段波长范围内的响应，确保这段红外光的波长范围包含了该探测器的所有响应区间。
S400，配置标准探测器在单色仪出光孔前，运行标准探测器。给予合适的电压、电流等参数。
S500，重复步骤S200-S300，获得标准探测器设定波长范围内的响应。
S600，比较被测探测器的响应曲线与标准探测器的光谱响应曲线，获得相对光谱响应曲线。
在该步骤中，设标准探测器本身的光谱响应率为Rstd(λ)，测试得出的标准探测器的响应为Vstd(λ)，该曲线测得的可以计算出在λ波长下红外辐射功率P(λ):
对于本装置来说，腔式黑体在相同的温度下，波长相同时，红外辐射功率Pλ应当相同。因此，设被测探测器的绝对光谱响应为Vtest(λ)，相对光谱响应为Rtest(λ)，它也受到装置的红外辐射功率影响，因此有：
此外，还需将计算出的相对光谱响应进行归一化处理，设该波段内探测器的响应峰值为Rmax，则最终输出的归一化相对光谱响应Rout(λ)为：
S700，根据相对光谱响应曲线，得出前、后截止波长、波长范围和G因子等信息。
下面以长波甚高灵敏度像素级数字化红外探测器为例进行示例性说明，本发明实施例的数字化红外光谱测试方法具体包括如下步骤：
A.将高温黑体温度设置为1000℃，将被测数字化红外探测器安装在单色仪出光孔前，加载探测器驱动电路，使探测器正常工作。通过线缆连接探测器输出与camera-link采集卡，在上位机采集到图像。
B.使用上位机软件设置单色仪出光波长大致为被测探测器的峰值波长，将被测数字化红外探测器对准单色仪出光孔，其在该波长下使探测器的输出图像上产生亮斑。
C.在光谱采集软件中选择测试点位，设置波长范围为2000-6000nm，扫描间隔为50nm，步进时间2000ms，点击光谱采集按钮等待测试完成。测试完毕，测试软件上会绘制出一条横坐标为波长，纵坐标为响应值大小的光谱曲线；
D.关闭被测探测器的驱动电路，将探测器从单色仪出光孔前取下，将标准探测器安放在单色仪出光孔处并用卡箍固定；
E.打开锁相放大器，并打开单色仪前面放置的斩波器控制器开关，设置斩波器频率为10Hz；
F.点击上位机的标准探测器光谱测试软件，软件自动采集标准探测器光谱响应。测试完毕，测试软件上会绘制出一条横坐标为波长，纵坐标为响应值大小的标准光谱曲线；
G.使用上位机中光谱测试软件的相对光谱响应计算功能，直接计算得出被测探测器的相对光谱响应曲线、前后截止和G因子，实现红外光谱测试。
本发明实施例的数字化红外光谱测试方法通过对数字化红外探测器输出的采集配置以及模拟探测器光谱测试方法的结合，在实现数字化红外探测器光谱响应测试的同时具有稳定性高，测试准确，兼容性高等优点，可以满足各类不同型号的数字化红外探测器或者是装有输出模数转换电路板的模拟红外探测器的光谱测试工作。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种红外探测器光谱测试装置，其特征在于，包括：
用于为红外探测器光谱测试提供红外辐射光谱的高温黑体；
单色仪，用于是产生单色光，并对光谱进行分析和特性测量；
所述高温黑体与所述单色仪之间可选择地配置有被测探测器或标准探测器；
所述被测探测器和所述标准探测器被配置为与上位计算机连接，所述上位计算机用于计算并呈像所述被测探测器的光谱响应曲线和所述标准探测器的光谱响应曲线的相对光谱响应曲线。
2.根据权利要求1所述的红外探测器光谱测试装置，其特征在于，
所述标准探测器为已知光谱的、无选择性探测器，所述标准探测器连接有锁相放大器，所述锁相放大器用于在标定标准探测器光谱响应时，读取标准探测器的响应信号。
3.根据权利要求1所述的红外探测器光谱测试装置，其特征在于，
所述高温黑体与所述单色仪之间连接有斩波器，当高温黑体与单色仪之间配置为标准探测器时，所述斩波器打开，当高温黑体与单色仪之间配置为被测探测器时，所述斩波器关闭。
4.根据权利要求1所述的红外探测器光谱测试装置，其特征在于，
所述上位计算机与所述单色仪通信连接，所述单色仪连接有滤光轮，所述上位计算机控制单色仪和滤光轮发出指定波长红外光。
5.根据权利要求1所述的红外探测器光谱测试装置，其特征在于，
所述上位计算机包括用于采集红外探测器的输出信号的采集卡。
6.一种红外探测器光谱测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-6所述的红外探测器光谱测试装置，包括如下步骤：
配置被测探测器在单色仪出光孔前，运行探测器；
控制入射光源为单一波段，记录被测探测器对光源的光谱响应；
多次改变光源波长，重复记录被测探测器对光源的响应，获得被测探测器设定波长范围内的光谱响应曲线；
配置标准探测器在单色仪出光孔前，运行标准探测器；
控制入射光源为单一波段，记录标准探测器对光源的光谱响应；
多次改变光源波长，重复记录被测探测器对光源的响应，获得标准探测器设定波长范围内的光谱响应曲线；
比较所述被测探测器的响应曲线与所述标准探测器的光谱响应曲线，获得相对光谱响应曲线；
根据所述相对光谱曲线，获得被测探测器性能参数。
7.根据权利要求6所述的红外探测器光谱测试方法，其特征在于，
所述被测探测器对光源的光谱响应通过将单一波段光源前后输出响应数字信号的数值做差获得。
8.根据权利要求6所述的红外探测器光谱测试方法，其特征在于，
所述标准探测器对光源的光谱响应通过将单一波段光源前后输出响应数字信号的数值做差获得。
9.根据权利要求6所述的红外探测器光谱测试方法，其特征在于，所述相对光谱响应通过以下公式获得：
其中，Rtest(λ)表示相对光谱响；Vtest(λ)表示测探测器的绝对光谱响应；
P(λ)表示标准探测器在λ波长下的红外辐射功率；Rstd(λ)表示标准探测器本身的光谱响应率为；Vstd(λ)表示标准探测器的响应。
10.根据权利要求6所述的红外探测器光谱测试方法，其特征在于，
所述设定红外光的波长范围包含对应探测器的所有响应区间。
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