用于太陽光譜儀的光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置

孫德貝，李志剛，李福田

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引 言

光電探測器廣泛用于精密光輻射測量裝置中，如分光光度計(jì)、傅立葉變換光譜儀、氣體分析儀、地基/空基光譜輻射計(jì)和天基太陽/大氣定量光譜遙感儀器等[1-7]。由于入射到探測器的光功率變化很大，探測器系統(tǒng)的非線性必須仔細(xì)研究，并予以修正。這也是目前高精度大氣/太陽定量光譜遙感研究所關(guān)注的問題。

本文在討論光電探測系統(tǒng)線性度高精度測量方法基礎(chǔ)上，研制了光譜儀線性度測試裝置，文中圍繞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及硅光電二極管探測器和可見波段太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試結(jié)果及測量不確定度分析展開。

2 光電探測系統(tǒng)線性度測量方法

有關(guān)光電探測系統(tǒng)線性度及其測量儀器的發(fā)展已有較長的歷史。除基于傳統(tǒng)的距離平方反比定律[7]等方法外，目前國際上光電探測系統(tǒng)線性度測量一般采用基于非相干光束疊加原理的光束疊加法，實(shí)現(xiàn)光束疊加的方法分為雙光闌光束疊加法(NRC)、濾光片光束疊加法(NIST)和濾光片-雙光闌光束疊加法(NPL)3種。

加拿大國家研究委員會(National Research Council,NRC)的Sanders設(shè)計(jì)的線性儀[8-10]，如圖1所示，鎢帶燈光源經(jīng)消色差透鏡成像于探測器。9對光闌的精密光闌片位于成像透鏡前方，9對光闌面積遞增，相應(yīng)落到探測器接收面上光流的動態(tài)范圍達(dá)512∶1。通過大轉(zhuǎn)盤分別開閉或同時(shí)開閉的雙孔光闌進(jìn)行光電探測器線性測量。光電探測器或光電探測系統(tǒng)的線性是用來描述其產(chǎn)生一個(gè)正比于輸入光信號的電信號的能力。事實(shí)上，由于光電探測器本征特性或附屬的放大器系統(tǒng)特性，光電探測器或光電探測系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱光電探測系統(tǒng))一般都存在光電響應(yīng)度的非線性偏差。人們常用被稱為非線性因子的參量L(VA+B)來描述光電探測系統(tǒng)的非線性。L(VA+B)指光電探測系統(tǒng)線性偏差或非線性，并用其表示光電探測系統(tǒng)輸出信號為(VA+VB)/2時(shí)的線性。L(VA+B)可由公式(1)計(jì)算得出：

(1)

其中，VA和VB表示兩個(gè)光信號A和B分別照明光電探測系統(tǒng)時(shí)光電探測系統(tǒng)的暗電流修正的輸出信號，而VA+B表示兩個(gè)光信號A和B同時(shí)照明相同光電探測系統(tǒng)時(shí)光電探測系統(tǒng)的暗電流修正的輸出信號。如果系統(tǒng)線性，則VA+VB等于VA+B，一般取VA近似等于VB，非線性因子L(VA+B)實(shí)質(zhì)上描寫了VA+B電壓下2∶1動態(tài)范圍內(nèi)的光電探測系統(tǒng)的非線性行為。

圖1 NRC線性儀Fig.1 NRC linearity testing device

美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(National Bureau of Standards,NBS)現(xiàn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of standards and technology,NIST)的Mielenz和Eckerle[11]報(bào)告了利用雙光闌法測量標(biāo)準(zhǔn)分光光度計(jì)線性度的測量裝置和測量結(jié)果。

NIST的Saunders[12]和Thompson[13]報(bào)告了光束組合器Beamcon的工作原理、結(jié)構(gòu)及其光電探測器線性度測量結(jié)果。Beamcon用于表征輻射探測器，特別是接近噪聲等效功率的低照度下的輻射探測器的線性度，其在消雜光方面采取了多項(xiàng)措施。BeamconⅢ的結(jié)構(gòu)如圖2所示。室1中光源產(chǎn)生準(zhǔn)直光束；室2中準(zhǔn)直光束分為兩束，又重新合成；室3中引入空間濾波器，用于消除雜散光；室4中光束聚焦到探測器。BeamconⅢ基于光束疊加原理，通過不同的濾光片組合可產(chǎn)生不同的光通量。

圖2 NIST光束組合器BeamconIII結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of NIST Beamcon III

探測器處的光通量Φ是來自兩條路徑的光通量Φ1與Φ2之和:

Φ(i,j,k)=Φ1(i,k)+Φ2(j,k) ,

(2)

式中的變量表示濾光片組合，i(i=0,1,…,4)，代表輪W1上的濾光片。j(j=0,1,…,4)，代表輪W2上的濾光片。k(k=0,1,…,5)，代表輪W3上的濾光片。0代表關(guān)閉位置。對單條路徑而言，有30種可能的濾光片組合，其中10種組合沒有光通過。因此每條路徑有20種組合探測器能產(chǎn)生響應(yīng)信號。

設(shè)探測器具有n次多項(xiàng)式表達(dá)的響應(yīng)函數(shù)：

Φ(i,j,k)=r0+r1S(i,j,k)+

r2S2(i,j,k)+…+rnSn(i,j,k) ,

(3)

式中，S(i,j,k)為探測器測得的響應(yīng)函數(shù)，經(jīng)過暗信號修正，且采用濾光片組合表示；r0、r1、r2、…、rn為探測器響應(yīng)函數(shù)的系數(shù)。因?yàn)樘綔y器接近線性，也因?yàn)樾盘柵c光通量取為同一單位，故r1等于1。由式(2)和式(3)有:

Φ1(i,k)+Φ2(i,k)=r0+r1S(i,j,k)+

r2S2(i,j,k)+…+rnSn(i,j,k) .

(4)

每一輪測試中，有120個(gè)響應(yīng)信號，相應(yīng)地將生成120個(gè)如式(4)所示的表達(dá)式。其中有40+n個(gè)未知變量，來源于每條路徑上20種濾光片組合以及n個(gè)響應(yīng)函數(shù)系數(shù)。關(guān)閉的濾光片組合的光通量規(guī)定為0。通過這120個(gè)等式，利用線性最小二乘法求出40+n個(gè)未知量，即可求得多項(xiàng)式響應(yīng)函數(shù)的系數(shù)rx，即探測器的線性度。同時(shí)可求得光通量值Φ1(i,k)和Φ2(j,k)，可用于監(jiān)測濾光片的穩(wěn)定性。圖3為硅二極管放大器探測器系統(tǒng)相對響應(yīng)度隨信號的變化，圖3表明在所有檔位光電二極管探測系統(tǒng)線性度優(yōu)于0.054%，電流小于10-11A時(shí)線性度優(yōu)于0.209%。說明Beamcon III在接近噪聲水平下探測線性度的能力[13]。

圖3 硅二極管放大器探測器系統(tǒng)相對響應(yīng)度與信號的函數(shù)關(guān)系Fig.3 Relative responsivity as a function of signal for a silicon diode-amplifier detector system

英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的Theocharous[14-16]報(bào)導(dǎo)了用于表征熱釋電探測器非線性的測試裝置，如圖4所示。該裝置利用雙光闌的交替開閉實(shí)現(xiàn)光流疊加，用兩組中性濾光片改變待測探測器上的照度，從而獲得熱釋電探測器非線性校正因子。此外，還研究了多種LiTaO3熱釋電探測器的“超線性”特征。

圖4 NPL濾光片-雙光闌線性儀Fig.4 NPL filter-double aperture linearity testing device

3 實(shí)驗(yàn)裝置

為滿足地外太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)的線性度測試需要，本課題組研制了一臺光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置，如圖5所示。該儀器由光源、中性濾光片輪、雙孔光闌和光學(xué)成像系統(tǒng)組成。來自光源的光線經(jīng)平面鏡和焦長為200 mm凹面鏡準(zhǔn)直，利用中性濾光片輪改變其光流強(qiáng)度，之后，由可單獨(dú)開閉的雙孔光闌分為A和B兩束，實(shí)現(xiàn)光束A或B單通，或A+B雙通。然后經(jīng)另一平面鏡和焦長為200 mm凹面鏡將光源成像于單色儀入射狹縫或太陽光譜儀前置漫透射板上。采用100 W鎢帶燈、250 W鹵鎢燈或300 W氙燈作光源，以模擬地外太陽光譜輻照度，工作波段為200～2 400 nm。金屬膜中性減光濾光片輪分為兩層，其光密度和透過率如表1所示，光流變化動態(tài)范圍104。

圖5 光譜儀光電探測系統(tǒng)線性測試裝置Fig.5 Linearity measurement devices of spectrometer photoelectric detecting system

表1 濾光片光密度和透過率

4 本文光電探測系統(tǒng)線性測量實(shí)驗(yàn)

4.1 硅光電二極管探測器線性測量

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置的性能，測量了濱松S2281硅光電二極管線性及其相關(guān)輻射特性。該光電二極管常用作紫外-可見-近紅外傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器。濱松S2281硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍為190～1 100 nm，靈敏面直徑為φ11.3 mm，采用石英窗口。

4.1.1 光譜響應(yīng)度穩(wěn)定性和區(qū)域響應(yīng)度均勻性實(shí)驗(yàn)

圖6 探測器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)裝置Fig.6 Calibrating instrument of spectral radiant power responsivity for detector

探測器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)裝置如圖6所示。作為標(biāo)準(zhǔn)探測器的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST發(fā)布的紫外-可見-近紅外硅光電二極管探測器，待定標(biāo)的探測器是日本濱松公司S2281硅光電二極管探測器(編號31100)。該裝置采用300 W超靜氙燈為光源，直流穩(wěn)流電源供電。氙燈經(jīng)平面鏡和曲率半徑為400 mm的凹面鏡成像于焦長1.33 m McPherson 209 單色儀的入射狹縫。單色儀出射狹縫出射的單色光經(jīng)曲率半徑為400 mm的凹面鏡和平面鏡會聚于探測器表面。光點(diǎn)尺寸可調(diào)，探測器通量響應(yīng)度定標(biāo)時(shí)，光點(diǎn)直徑約為3 mm。標(biāo)準(zhǔn)探測器與待測探測器同時(shí)安裝在一個(gè)電控三維平移臺上，通過移入移出，進(jìn)行比對測量。McPherson 209單色儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)為雙通Czerny-Tuner型，有中間狹縫。這種結(jié)構(gòu)有利于提高分辨率、減少光譜雜光。平面光柵刻線密度為1 200 g/mm，工作波段為200～1 100 nm，光譜分辨率為0.01 nm。在400～1 100 nm波段工作時(shí)加入濾光片，以消除400 nm或800 nm以下的二級光譜的影響。單色儀波長重復(fù)性和準(zhǔn)確度分別為±0.005 nm和±0.05 nm。計(jì)算機(jī)通過232接口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動單色儀正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行波長掃描。在McPherson 209單色儀驅(qū)動程序控制下通過IEEE-488接口控制Keithley 6485數(shù)字靜電計(jì)進(jìn)行探測器輸出數(shù)據(jù)采集，并通過232接口控制波長驅(qū)動器進(jìn)行波長掃描。光譜掃描范圍為200～1 100 nm，采樣間隔為10 nm。在單色儀波長掃描過程中，也采集擋光時(shí)探測器背景輸出信號，最后將波長與探測器輸出信號數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與顯示。

圖7給出待測S2281-31097(31097為編號)硅光電二極管探測器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)結(jié)果，測量結(jié)果重復(fù)性在0.3%以內(nèi)。5F001 Responsivity 是本實(shí)驗(yàn)用作標(biāo)準(zhǔn)探測器的由NIST發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管探測器的光譜輻射通量響應(yīng)度；31097 Responsivity1 和31097 Responsivity2 是定標(biāo)得到的濱松S2281-31097硅光電二極管探測器的光譜輻射通量響應(yīng)度，1和2分別表示結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖7 S2281-31097硅光電二極管光譜響應(yīng)度及其穩(wěn)定性Fig.7 Spectral radiant power responsivity and stability of S2281-31097 Si photodiode

為降低待測探測器區(qū)域響應(yīng)度對線性度測量的影響，要求S2281探測器要有良好的區(qū)域響應(yīng)度均勻性。為此，在輻射通量模式下，以細(xì)窄光束掃描探測器表面，并測量探測器區(qū)域響應(yīng)均勻性。圖6所示裝置中，經(jīng)McPherson 209單色儀出射狹縫出射的單色光經(jīng)曲率半徑為400 mm的凹面鏡和平面鏡會聚于S2281-31100硅光電二極管探測器的靈敏面，同時(shí)驅(qū)動位于電控三維位移臺上的探測器，測量其區(qū)域響應(yīng)度均勻性。光點(diǎn)直徑為1 mm，F(xiàn)/15，波長為500 nm，掃描步長為0.5 mm/步。圖8(彩圖見期刊電子版)給出探測器區(qū)域響應(yīng)度均勻性等高線圖，圖8表明該探測器區(qū)域響應(yīng)度非均勻性小于0.5%。

圖8 S2281-31100硅光電二極管區(qū)域響應(yīng)度均勻性Fig.8 Spatial uniformity of S2281-31100 Si photodiode response

4.1.2 S2281-31100硅光電二極管線性度測量

采用如圖5所示光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置測量硅光電二極管探測器線性。旋轉(zhuǎn)中性濾光片輪改變待測探測器照度，借助雙光闌求得不同光照下非線性修正因子，進(jìn)而求得S2281-31100探測器非線性度曲線，如圖9所示。結(jié)果表明S2281-31100動態(tài)范圍為104，線性度優(yōu)于±0.1%。

圖9 S2281-31100硅光電二極管探測器線性度Fig.9 Linearity factor of S2281-31100 Si photodiode

4.2 可見波段太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測量

用于太陽光譜輻照度測量的可見波段太陽光譜儀由前置漫透射板、800周/秒音叉調(diào)制器、凹面反射光柵雙單色儀、后置濾光片輪、R7378A光電倍增管、前置放大器、800周/秒鎖相放大器、波長驅(qū)動器及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成。

4.2.1 可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度穩(wěn)定性及區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性

以NIST發(fā)布的1 000 W光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)石英鹵鎢燈F661及自行傳遞的F1391石英鹵鎢燈輻照可見波段太陽光譜儀前置漫透射板，為可見波段太陽光譜儀定標(biāo)，獲得可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度及其穩(wěn)定性，如圖10所示，其穩(wěn)定性為0.1%。鹵鎢燈工作電流(8±0.002) A，由高精度直流穩(wěn)流電源供電，距離可見波段太陽光譜儀漫反射板(500±0.1) mm。

圖10 可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度及其穩(wěn)定性Fig.10 Spectral irradiance responsivity and its stability of VIS solar spectrometer

由可見波段太陽光譜儀的光譜輻照度響應(yīng)度及地外太陽輻照度，可求得太陽光譜儀在地外太陽輻照下400～750 nm預(yù)估的光譜輸出，如圖11所示。

圖11 可見波段太陽光譜儀地外太陽輻照下光譜輸出Fig.11 Output at extraterrestrial solar irradiance of VIS solar spectrometer

上述可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，在漫透射板前方5 mm處放置一片直徑為0.5 mm光闌，太陽光譜儀波長設(shè)置為500 nm，進(jìn)行X-Y掃描，取讀數(shù)，獲得可見波段太陽光譜儀區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性分布圖，如圖12(彩圖見期刊電子版)所示。

圖12 可見波段太陽光譜儀區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性Fig.12 Spatial uniformity of VIS solar spectrometer response

4.2.2 可見波段太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測量

將光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置放于可見波段太陽光譜儀漫透射板前方，旋轉(zhuǎn)中性濾光片輪改變漫透射板上的照度，借助雙光闌求得不同光照下非線性修正因子，求得可見波段太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)非線性度曲線，如圖13所示。圖13顯示可見波段太陽光譜儀500 nm處光電探測系統(tǒng)地外太陽輻照水平下表現(xiàn)出：一檔非線性為2.8%，二檔非線性為0.6%，三檔線性。分析表明：除1檔強(qiáng)光下R7378A光電倍增管具有0.5%非線性外，其余歸因于電子學(xué)放大器。

根據(jù)公式(1)解出的非線性度綜合不確定度如表2所示，為0.14%。

圖13 可見波段太陽光譜儀光電探測系統(tǒng)超線性響應(yīng)Fig.13 Superlinear response of VIS solar spectrometer

Uncertainty sourcesUncertainty/%VA reading stability and reproducibility0.1VB reading stability and reproducibility0.1V(A+B) reading stability and reproducibility0.1Combined uncertainty0.14

5 結(jié) 論

以高穩(wěn)定度光源、光密度中性濾光片、雙光闌和成像光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的光譜儀光電探測系統(tǒng)線性度測試裝置，在地外太陽光譜輻照度下，測量了可見波段太陽光譜儀的線性度。結(jié)果顯示，增益為1檔時(shí)非線性度為2.8%，增益為2檔時(shí)非線性度為0.6%，需進(jìn)行非線性修正。非線性度測量不確定度優(yōu)于0.14%，測量不確定度滿足測量技術(shù)指標(biāo)要求。