紫外-短波紅外航天遙感探測器光電性能測試裝置的研制和標定

張 釗，屈 煒，萬 志

（1.上海科學技術交流中心，上海 200235；2.上海軍民兩用科學技術促進會，上海 200235；3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；4.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

探測技術的核心部件就是探測器［1-3］，探測器性能直接決定探測設備的使用效果。隨著紫外到紅外波段的探測器越來越廣泛地應用于國防、科研和工業(yè)生產過程監(jiān)視等領域，國內對于探測器的需求也日趨增多。國外進口器件雖然性能和可靠性較好，但是價格高昂，且從事航天軍工等敏感行業(yè)的單位受出口禁運制約，很難獲得高等級器件，這已經成為限制我國探測器行業(yè)發(fā)展的瓶頸［4-7］。為了擺脫這種局面，國內一些高校和科研院所開始自主研發(fā)探測器，探測器的制造廠家為了控制產品的質量，必須對探測器的各項光電性能指標進行嚴格測試，篩選出性能接近或一致的個體產品［8-11］。由于材料和制作工藝等條件限制不能保證其所生產的所有探測器都能達到技術等級要求，必須通過測試來檢驗和甄別所生產的探測器是否合格［12］。由于各個廠家生產的探測器類型、封裝型式、工作譜段以及結構尺寸都各不相同，因此，在市面上很難采購到現(xiàn)成的測試設備［13-14］。

基于上述分析，本文設計并研制了一套用于多譜段探測器光電性能測試的設備。該設備可以對紫外譜段到短波紅外譜段的探測器進行光譜響應和光電特性參量測試，測試內容包括：絕對/相對光譜響應度、量子效率、歸一化探測率、頻響特性、偏壓響應度和時間響應。本文首先介紹測試系統(tǒng)的設備組成和測試原理，然后對于各項測試原理和方法進行具體介紹，最后分析對照明光斑波長校準和光譜輻射照度標定的重要性，介紹標定方法，給出標定結果。

1 系統(tǒng)組成和原理

紅外探測器光電性能測試系統(tǒng)主要由復合光源、單色儀、擴束光路、樣品室、標準參考探測器、光電信號采集處理電路、A/D 模數變換器、鎖相放大器以及數據采集處理軟件和PC 機組成。系統(tǒng)設備組成和工作原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principle diagram

光源組件采用背透式復合光源。復合光源是將30 W 氘燈和250 W 鹵鎢燈集成在一個光源室內，先使鹵鎢燈成像在氘燈燈絲上，再將兩者一起成像在出光口處。這樣既可以同時點亮，也可以分別點亮，從而得到從200～2 500 nm 的寬光譜連續(xù)光源。鹵鎢燈材料為德國OSRAM 原裝進口燈泡，光源具有光效高、發(fā)光穩(wěn)定、使用壽命長等特點，其光譜范圍為300～2 500 nm。氘燈材料為進口紫外增強型氘燈，光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長等特點，其光譜范圍為200～400 nm。同時采用雙石英透鏡聚焦，自動延時冷卻。光學系統(tǒng)包含擴束鏡和聚焦鏡頭，可準直、聚焦和發(fā)散輸出，并能夠調節(jié)光斑大小，以滿足不同尺寸的被測探測器光敏面的照明需求。氘鹵燈光源光譜分布曲線如圖2所示。

圖2 氘鹵燈光源光譜分布曲線Fig.2 Spectral distribution curves of deuterium and halogen tungsten lamps

另外，寬波段復合光源與分光部件的結合使用，可產生紫外到短波紅外譜段的單色輻射信號。該輻射信號經過擴束光學系統(tǒng)后，在待測試紅外探測器光敏面上產生均勻的單色照明光斑，通過參考標準探測器與待測探測器之間輸出電信號的比對來實現(xiàn)光譜響應測試功能。分光組件采用標準產品7ISW302 三光柵光譜儀。該單色儀包括各波段的光柵、消高級光譜濾光片輪、光譜掃描步進電機驅動控制電路、單片機程序，以及上位機和下位機的通信指令等。六擋電動濾光輪用來消除多級光譜，自動控制掃描中的濾光片更換。在啟用狀態(tài)可自動歸零定位，實現(xiàn)掃描過程中的濾光片自動更換。該濾光片輪安裝3 塊長波通濾光片，第1 擋為空，第2 到第4 擋標準配置濾光片材料分別為ZJB320、CB535 和HWB850，光譜使用范圍為185～1 800 nm，第5 和6 擋為預留濾光片孔。利用電調制的LED 光源產生交變方波信號，并配合具有頻譜分析功能的示波器來測試紅外探測器的時間響應特性。

為了提高微弱信號檢測和處理能力，測試系統(tǒng)采用光調制和鎖相放大電路設計。通過直流電機驅動機械斬波器對單色光輻射信號進行調制，將其變成交變脈沖信號，利用調制信號與參考信號間相位同步可以進行檢波和相關處理，從而降低信號采樣噪聲，有效提高測試信噪比。測試系統(tǒng)采用斯坦福公司的SR540 機械斬波器作為調制器，并搭配SR510 型鎖相放大器，實現(xiàn)對單色輻射測試信號的調制和鎖相放大處理。測試裝置的實物圖如圖3所示。

圖3 設備實物圖Fig.3 Picture of the test system

2 光譜響應和量子效率測試

光譜響應測試的原理，是利用單色儀將光譜功率分布連續(xù)的定標光源按照波長分離出來，經過擴束光學系統(tǒng)后形成單色均勻照明輻射到被測試光電器件的光敏面，并且通過控制輸出單色輻射的強度來實現(xiàn)探測器的光譜響應關系的測試，如圖4 所示。如前所述，探測器光譜響應測試系統(tǒng)包括：氘鹵燈光源室、單色儀、狹縫像引出擴束光學系統(tǒng)、消二級光譜濾光片輪和標準參考探測器。光源室采用背透式復合光源。復合光源是將30 W 氘燈和250 W 鹵鎢燈集成在一個光源室內，先使鹵鎢燈成像在氘燈燈絲上，再將兩者一起成像在出光口處。這樣既可以同時點燃，也可以分別點燃，從而得到從200～2 500 nm 的寬光譜連續(xù)光源。鹵鎢燈材料為德國OSRAM 原裝進口燈泡。光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長等特點，其光譜范圍為300～2 500 nm。采用程控電源控制，電壓調整范圍為0～12 V，冷卻方式為風冷。氘燈材料為進口紫外增強型氘燈，光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長等特點，其光譜范圍為200～400 nm，采用程控電源控制，冷卻方式為風冷。復合光源通過控制箱控制電動臺，將工作光源自動切換到輸出光路中，特定時間只輸出一種光源發(fā)出的光，通過光源的切換實現(xiàn)寬光譜范圍的光輸出。單色儀采用光柵掃描光譜儀，單色儀作為分光器件其作用是產生各種單色輻射。另外，可以通過調整單色儀出射狹縫與擴束光學系統(tǒng)之間的相對位置關系，從而能夠在探測器光敏面上形成均勻和足夠大的單色光照明光斑，同時使用消二級光譜濾光片消除二級以上光譜對測試的影響。

圖4 紅外探測器光譜響應測試原理Fig.4 Spectral response test principle of the infrared detector

參照光電探測器光譜響應測試方法國家標準，采用相對比較法進行光電探測器光譜響應測試，所采用標準參考探測器必須為光譜響應已知或經過國家計量部門校準的器件。因此，采用兩種標準參考探測器S（i硅探測器）和PbS（硫化鉛探測器）來分別滿足紫外-可見-近紅外和短波紅外測試譜段范圍的需要。

參考探測器輸出的模擬信號Vc經ADC 后成為數字信號，用DNc表示，參考探測器與待測探測器采用同一套數據采集器。因此，用數字信號代替模擬信號計算量子效率結果不變，在一個波位置上多次采集并取平均值：

式中：N為采樣次數。

同理，被測探測器采集后的數據也需要進行平均處理，被測探測器光譜響應度R為

式中：Rc為參考標準探測器絕對光譜響應度定標值，單位為為參考標準探測器數碼值平均值為待測探測器數碼值計算完成后顯示、打印光譜曲線或數據。

根據光譜響應度可以進行量子效率和歸一化探測率計算。以對索尼公司生產的探測器（型號：ICX285AL）進行實測為例。以波長間隔2 nm 對探測器進行光譜掃描，得到探測器的輸出結果如圖5所示。

圖5 探測器圖像灰度曲線Fig.5 Gray scale curve of images obtained by the sample detector

以波長間隔2 nm 對標準探測器進行光譜掃描，得到探測器的輸出結果如圖6 所示。

圖6 光譜響應測試系統(tǒng)標準輸出值Fig.6 Standard output of the spectral response test system

將探測器圖像灰度曲線與標準輸出曲線進行比較，計算得到探測器的相對光譜響應曲線如圖7所示。

圖7 探測器樣片相對光譜響應測試曲線Fig.7 Relative spectral response curve of the sample detector

將系統(tǒng)測試得到相對光譜響應曲線（圖7）和如圖8 所示的索尼探測器資料手冊中的曲線進行比較，兩者的曲線形狀趨勢一致。

圖8 探測器資料手冊中ICX285AL 相對光譜響應曲線Fig.8 Relative spectral response curve of ICX285AL sample detector from the detector manual given by Sony

量子效率（ηe）為探測器將入射光子數轉化成電子數的效率，是評價探測器性能的重要參數之一。量子效率可以通過光譜響應度測量進行轉換：

式中：h為普朗克常數，h=6.626×10-34J·s；c為真空中光速；e為電子電量，e=1.602×10-19C；λ為波長，μm；n為空氣中該波長下的折射率。

此外，測試系統(tǒng)還可以測試探測器歸一化探測率。歸一化探測率是指單位電子學系統(tǒng)帶寬，單位探測器面積下的噪聲等效光功率，Hz1/2·cm·W-1。計算公式為

其中，P為噪聲等效光功率（Noise Equivalent Power，NEP），是與探測器均方根噪聲信號對應的輻射通量，

式中：Inoise為噪聲電流測量值（AD 多次采集暗信號并計算獲得）；R為絕對光譜響應度；AD為探測器有效接收面積；Δf為探測器放大器帶寬可以用鎖相放大器的帶寬，Hz。

3 偏壓響應和時間響應設計與實現(xiàn)

偏壓響應度是探測器響應度隨偏置電壓變化的函數或曲線，A·W-1·V-1。測量時只需改變探測器偏置電壓，測量光譜響應度即可。偏壓響應測試系統(tǒng)采用DH1722A 直流穩(wěn)壓電源作為偏壓源，用來產生和調整、改變待測試探測器的工作偏壓，可以進行不同偏壓下的光譜響應性能測試。

時間響應測試系統(tǒng)采用具有頻譜分析功能的AV7062A 型數字示波器作為時變信號分析工具，可以得到對應各種時鐘脈沖信號輸入所引起的探測器輸出隨時間變化曲線及其上升、下降沿的陡度，從而計算探測器的上升和下降時間。

將LED 安置在探測器積分球內，利用電調制LED 光源產生交變方波信號，配合具有頻譜分析功能的示波器來測試紅外探測器的時間響應特性。時間響應的信號源采用貼片式高亮白光LED 光源，由于LED 響應速度足夠快，上升沿小于100 ns，因此，可以保證對微秒量級的探測器響應時間測試要求；另外其具有發(fā)光效率高、壽命長、重復性好以及脈沖波形近似方波等特性，適用于探測器的時間響應測試。

某探測器下降和上升時間響應測試圖分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 某探測器下降時間響應測試圖Fig.9 Fall time response test diagram

圖10 某探測器上升時間響應測試圖Fig.10 Rise time response test diagram

4 波長標定和光譜輻射照度標定

光譜響應測試系統(tǒng)需要確定準直單色輻射的波長位置準確度和光譜輻射照度兩個控制輸出量，因此，必須對定標裝置進行波長校準和光譜輻射強度的絕對標定。波長校準就是建立單色儀光柵衍射角（即波長掃描位置）與輸出波長示值之間的關系，而光譜輻射照度的定標就是建立各波長處輸出的單色輻射照度值。

4.1 單色照明光斑波長校準

探測器光譜響應測試結果受到波長位置準確度的影響，因此，控制光譜響應測試系統(tǒng)輸出單色照明光斑波長位置精度，不僅是建立光譜響應測試系統(tǒng)的首要考慮因素，也是光譜響應測試過程的關鍵環(huán)節(jié)之一。

單色儀的波長控制是由步進電機掃描驅動光柵衍射角實現(xiàn)的，由于步進電機具有較好的位置重現(xiàn)性，且步進電機掃描位置與輸出波長之間的關系為固定的線性關系，因此只要建立掃描位置（步進電機運行步數）與波長真值之間的對應關系即可完成波長校準。波長掃描位置通常采用線狀發(fā)射光譜的金屬元素燈作為標準光源，如汞燈、鎘燈等，由于汞燈譜線比較豐富，所以本文波長校準采用汞燈特征譜線作為波長標準光源。汞燈波長標準燈的特征譜線位置見表1。

表1 汞燈典型特征譜線波長位置Tab.1 Typical wavelengths of mercury lamp

波長校準的方法如圖11 所示。將波長標準燈對準單色儀入射狹縫，單色儀執(zhí)行波長掃描，同時采用光電探測器接收和記錄單色儀的出射輻射，通過將探測器響應輸出的峰值波長位置和波長標準燈的特征譜線進行比較，就可以確定光譜響應測試裝置的輸出波長示值和真實值之間的關系。通過確定波長標準燈的若干個特征譜線位置與對應的單色儀輸出波長示值，就可以建立單色儀掃描位置與輸出波長之間的函數關系（一般為線性關系），這時采用線性回歸法就能確定任意掃描（位置）步數對應的輸出波長。汞燈的光譜定標裝置波長定標結果如圖12 所示。

圖11 波長校準方法Fig.11 Schematic diagram of the wavelength calibration method

圖12 光譜定標裝置波長定標結果Fig.12Results of wavelength calibration

4.2 光譜輻射照度標定

照明光斑的光譜輻射照度標定決定測試結果的可靠性和精度，因此，需要對參考探測器進行絕對光譜輻射照度響應度標定。參考探測器絕對光譜輻射定標方法，將可調諧激光器的出射光作為單色入射光到F4 材料的積分球內，將待測參考探測器置于積分球的樣品開口處（避開入射光直射照明），同時通過標準激光光功率計（溯源與國家一級計量站輻射量值基準）進行實時監(jiān)視，改變入射光譜段，最終得到參考探測器的絕對光譜響應結果。國防計量一級站提供的對上述硅和硫化鉛兩種材料參考探測器進行定標的結果，如圖13 所示。

圖13 兩種類型參考標準探測器絕對光譜響應曲線Fig.13 Spectral response curves of two types of standard detectors

利用參考探測器得到的絕對光譜響應度，可以獲得單色儀出射經擴束系統(tǒng)后照明光斑的絕對光譜輻射照度，從而可以計算得到待測探測器的光譜輻射照度響應度。最終根據式（3）計算得到探測器的量子效率。量值傳遞步驟如圖14 所示。

圖14 量值傳遞圖Fig.14 Transmission of radiation

5 結束語

本文介紹了一套用于對紫外到短波紅外探測器進行光電性能測試的裝置。測試裝置由寬光譜復合光源、單色儀、擴束光路、樣品室、鎖相放大器、標準探測器等構成，并具體介紹了絕對/相對光譜響應度、量子效率、歸一化探測率、頻響特性、偏壓響應度和時間響應參量的測試原理和測試方法，最后通過對照明光斑的波長標定和光譜輻射標定，保證了測試結果的可靠性和精度，并給出標定結果。測試裝置結合復合光源室使探測器的工作測譜段覆蓋紫外譜段到短波紅外譜段，并適用于不同類型、封裝尺寸的探測器進行光電性能測試。測試裝置為探測器光電特性參量測試提供設備和評價依據，解決了多譜段探測器綜合性能指標評價和篩選問題。