紫外-短波紅外航天遙感探測(cè)器光電性能測(cè)試裝置的研制和標(biāo)定

張 釗，屈 煒，萬 志

（1.上海科學(xué)技術(shù)交流中心，上海 200235；2.上海軍民兩用科學(xué)技術(shù)促進(jìn)會(huì)，上海 200235；3.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；4.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引言

探測(cè)技術(shù)的核心部件就是探測(cè)器［1-3］，探測(cè)器性能直接決定探測(cè)設(shè)備的使用效果。隨著紫外到紅外波段的探測(cè)器越來越廣泛地應(yīng)用于國(guó)防、科研和工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)視等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)對(duì)于探測(cè)器的需求也日趨增多。國(guó)外進(jìn)口器件雖然性能和可靠性較好，但是價(jià)格高昂，且從事航天軍工等敏感行業(yè)的單位受出口禁運(yùn)制約，很難獲得高等級(jí)器件，這已經(jīng)成為限制我國(guó)探測(cè)器行業(yè)發(fā)展的瓶頸［4-7］。為了擺脫這種局面，國(guó)內(nèi)一些高校和科研院所開始自主研發(fā)探測(cè)器，探測(cè)器的制造廠家為了控制產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對(duì)探測(cè)器的各項(xiàng)光電性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，篩選出性能接近或一致的個(gè)體產(chǎn)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(chǎn)的所有探測(cè)器都能達(dá)到技術(shù)等級(jí)要求，必須通過測(cè)試來檢驗(yàn)和甄別所生產(chǎn)的探測(cè)器是否合格［12］。由于各個(gè)廠家生產(chǎn)的探測(cè)器類型、封裝型式、工作譜段以及結(jié)構(gòu)尺寸都各不相同，因此，在市面上很難采購(gòu)到現(xiàn)成的測(cè)試設(shè)備［13-14］。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)并研制了一套用于多譜段探測(cè)器光電性能測(cè)試的設(shè)備。該設(shè)備可以對(duì)紫外譜段到短波紅外譜段的探測(cè)器進(jìn)行光譜響應(yīng)和光電特性參量測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：絕對(duì)/相對(duì)光譜響應(yīng)度、量子效率、歸一化探測(cè)率、頻響特性、偏壓響應(yīng)度和時(shí)間響應(yīng)。本文首先介紹測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備組成和測(cè)試原理，然后對(duì)于各項(xiàng)測(cè)試原理和方法進(jìn)行具體介紹，最后分析對(duì)照明光斑波長(zhǎng)校準(zhǔn)和光譜輻射照度標(biāo)定的重要性，介紹標(biāo)定方法，給出標(biāo)定結(jié)果。

1 系統(tǒng)組成和原理

紅外探測(cè)器光電性能測(cè)試系統(tǒng)主要由復(fù)合光源、單色儀、擴(kuò)束光路、樣品室、標(biāo)準(zhǔn)參考探測(cè)器、光電信號(hào)采集處理電路、A/D 模數(shù)變換器、鎖相放大器以及數(shù)據(jù)采集處理軟件和PC 機(jī)組成。系統(tǒng)設(shè)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(fù)合光源。復(fù)合光源是將30 W 氘燈和250 W 鹵鎢燈集成在一個(gè)光源室內(nèi)，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(shí)點(diǎn)亮，也可以分別點(diǎn)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(guó)OSRAM 原裝進(jìn)口燈泡，光源具有光效高、發(fā)光穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其光譜范圍為300～2 500 nm。氘燈材料為進(jìn)口紫外增強(qiáng)型氘燈，光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其光譜范圍為200～400 nm。同時(shí)采用雙石英透鏡聚焦，自動(dòng)延時(shí)冷卻。光學(xué)系統(tǒng)包含擴(kuò)束鏡和聚焦鏡頭，可準(zhǔn)直、聚焦和發(fā)散輸出，并能夠調(diào)節(jié)光斑大小，以滿足不同尺寸的被測(cè)探測(cè)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(fù)合光源與分光部件的結(jié)合使用，可產(chǎn)生紫外到短波紅外譜段的單色輻射信號(hào)。該輻射信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)后，在待測(cè)試紅外探測(cè)器光敏面上產(chǎn)生均勻的單色照明光斑，通過參考標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器與待測(cè)探測(cè)器之間輸出電信號(hào)的比對(duì)來實(shí)現(xiàn)光譜響應(yīng)測(cè)試功能。分光組件采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品7ISW302 三光柵光譜儀。該單色儀包括各波段的光柵、消高級(jí)光譜濾光片輪、光譜掃描步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、單片機(jī)程序，以及上位機(jī)和下位機(jī)的通信指令等。六擋電動(dòng)濾光輪用來消除多級(jí)光譜，自動(dòng)控制掃描中的濾光片更換。在啟用狀態(tài)可自動(dòng)歸零定位，實(shí)現(xiàn)掃描過程中的濾光片自動(dòng)更換。該濾光片輪安裝3 塊長(zhǎng)波通濾光片，第1 擋為空，第2 到第4 擋標(biāo)準(zhǔn)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(yù)留濾光片孔。利用電調(diào)制的LED 光源產(chǎn)生交變方波信號(hào)，并配合具有頻譜分析功能的示波器來測(cè)試紅外探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性。

為了提高微弱信號(hào)檢測(cè)和處理能力，測(cè)試系統(tǒng)采用光調(diào)制和鎖相放大電路設(shè)計(jì)。通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械斬波器對(duì)單色光輻射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其變成交變脈沖信號(hào)，利用調(diào)制信號(hào)與參考信號(hào)間相位同步可以進(jìn)行檢波和相關(guān)處理，從而降低信號(hào)采樣噪聲，有效提高測(cè)試信噪比。測(cè)試系統(tǒng)采用斯坦福公司的SR540 機(jī)械斬波器作為調(diào)制器，并搭配SR510 型鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)單色輻射測(cè)試信號(hào)的調(diào)制和鎖相放大處理。測(cè)試裝置的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備實(shí)物圖Fig.3 Picture of the test system

2 光譜響應(yīng)和量子效率測(cè)試

光譜響應(yīng)測(cè)試的原理，是利用單色儀將光譜功率分布連續(xù)的定標(biāo)光源按照波長(zhǎng)分離出來，經(jīng)過擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)后形成單色均勻照明輻射到被測(cè)試光電器件的光敏面，并且通過控制輸出單色輻射的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)關(guān)系的測(cè)試，如圖4 所示。如前所述，探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)包括：氘鹵燈光源室、單色儀、狹縫像引出擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)、消二級(jí)光譜濾光片輪和標(biāo)準(zhǔn)參考探測(cè)器。光源室采用背透式復(fù)合光源。復(fù)合光源是將30 W 氘燈和250 W 鹵鎢燈集成在一個(gè)光源室內(nèi)，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(shí)點(diǎn)燃，也可以分別點(diǎn)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(guó)OSRAM 原裝進(jìn)口燈泡。光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其光譜范圍為300～2 500 nm。采用程控電源控制，電壓調(diào)整范圍為0～12 V，冷卻方式為風(fēng)冷。氘燈材料為進(jìn)口紫外增強(qiáng)型氘燈，光源具有光效高、光通穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其光譜范圍為200～400 nm，采用程控電源控制，冷卻方式為風(fēng)冷。復(fù)合光源通過控制箱控制電動(dòng)臺(tái)，將工作光源自動(dòng)切換到輸出光路中，特定時(shí)間只輸出一種光源發(fā)出的光，通過光源的切換實(shí)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(chǎn)生各種單色輻射。另外，可以通過調(diào)整單色儀出射狹縫與擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而能夠在探測(cè)器光敏面上形成均勻和足夠大的單色光照明光斑，同時(shí)使用消二級(jí)光譜濾光片消除二級(jí)以上光譜對(duì)測(cè)試的影響。

圖4 紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試原理Fig.4 Spectral response test principle of the infrared detector

參照光電探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用相對(duì)比較法進(jìn)行光電探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試，所采用標(biāo)準(zhǔn)參考探測(cè)器必須為光譜響應(yīng)已知或經(jīng)過國(guó)家計(jì)量部門校準(zhǔn)的器件。因此，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)參考探測(cè)器S（i硅探測(cè)器）和PbS（硫化鉛探測(cè)器）來分別滿足紫外-可見-近紅外和短波紅外測(cè)試譜段范圍的需要。

參考探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)Vc經(jīng)ADC 后成為數(shù)字信號(hào)，用DNc表示，參考探測(cè)器與待測(cè)探測(cè)器采用同一套數(shù)據(jù)采集器。因此，用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)計(jì)算量子效率結(jié)果不變，在一個(gè)波位置上多次采集并取平均值：

式中：N為采樣次數(shù)。

同理，被測(cè)探測(cè)器采集后的數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行平均處理，被測(cè)探測(cè)器光譜響應(yīng)度R為

式中：Rc為參考標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)度定標(biāo)值，單位為為參考標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器數(shù)碼值平均值為待測(cè)探測(cè)器數(shù)碼值計(jì)算完成后顯示、打印光譜曲線或數(shù)據(jù)。

根據(jù)光譜響應(yīng)度可以進(jìn)行量子效率和歸一化探測(cè)率計(jì)算。以對(duì)索尼公司生產(chǎn)的探測(cè)器（型號(hào)：ICX285AL）進(jìn)行實(shí)測(cè)為例。以波長(zhǎng)間隔2 nm 對(duì)探測(cè)器進(jìn)行光譜掃描，得到探測(cè)器的輸出結(jié)果如圖5所示。

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

以波長(zhǎng)間隔2 nm 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行光譜掃描，得到探測(cè)器的輸出結(jié)果如圖6 所示。

圖6 光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸出值Fig.6 Standard output of the spectral response test system

將探測(cè)器圖像灰度曲線與標(biāo)準(zhǔn)輸出曲線進(jìn)行比較，計(jì)算得到探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 探測(cè)器樣片相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.7 Relative spectral response curve of the sample detector

將系統(tǒng)測(cè)試得到相對(duì)光譜響應(yīng)曲線（圖7）和如圖8 所示的索尼探測(cè)器資料手冊(cè)中的曲線進(jìn)行比較，兩者的曲線形狀趨勢(shì)一致。

圖8 探測(cè)器資料手冊(cè)中ICX285AL 相對(duì)光譜響應(yīng)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(cè)器將入射光子數(shù)轉(zhuǎn)化成電子數(shù)的效率，是評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的重要參數(shù)之一。量子效率可以通過光譜響應(yīng)度測(cè)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中：h為普朗克常數(shù)，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(zhǎng)，μm；n為空氣中該波長(zhǎng)下的折射率。

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

其中，P為噪聲等效光功率（Noise Equivalent Power，NEP），是與探測(cè)器均方根噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的輻射通量，

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

3 偏壓響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

偏壓響應(yīng)度是探測(cè)器響應(yīng)度隨偏置電壓變化的函數(shù)或曲線，A·W-1·V-1。測(cè)量時(shí)只需改變探測(cè)器偏置電壓，測(cè)量光譜響應(yīng)度即可。偏壓響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)采用DH1722A 直流穩(wěn)壓電源作為偏壓源，用來產(chǎn)生和調(diào)整、改變待測(cè)試探測(cè)器的工作偏壓，可以進(jìn)行不同偏壓下的光譜響應(yīng)性能測(cè)試。

時(shí)間響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)采用具有頻譜分析功能的AV7062A 型數(shù)字示波器作為時(shí)變信號(hào)分析工具，可以得到對(duì)應(yīng)各種時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸入所引起的探測(cè)器輸出隨時(shí)間變化曲線及其上升、下降沿的陡度，從而計(jì)算探測(cè)器的上升和下降時(shí)間。

將LED 安置在探測(cè)器積分球內(nèi)，利用電調(diào)制LED 光源產(chǎn)生交變方波信號(hào)，配合具有頻譜分析功能的示波器來測(cè)試紅外探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性。時(shí)間響應(yīng)的信號(hào)源采用貼片式高亮白光LED 光源，由于LED 響應(yīng)速度足夠快，上升沿小于100 ns，因此，可以保證對(duì)微秒量級(jí)的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試要求；另外其具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、重復(fù)性好以及脈沖波形近似方波等特性，適用于探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)測(cè)試。

某探測(cè)器下降和上升時(shí)間響應(yīng)測(cè)試圖分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 某探測(cè)器下降時(shí)間響應(yīng)測(cè)試圖Fig.9 Fall time response test diagram

圖10 某探測(cè)器上升時(shí)間響應(yīng)測(cè)試圖Fig.10 Rise time response test diagram

4 波長(zhǎng)標(biāo)定和光譜輻射照度標(biāo)定

光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)需要確定準(zhǔn)直單色輻射的波長(zhǎng)位置準(zhǔn)確度和光譜輻射照度兩個(gè)控制輸出量，因此，必須對(duì)定標(biāo)裝置進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)和光譜輻射強(qiáng)度的絕對(duì)標(biāo)定。波長(zhǎng)校準(zhǔn)就是建立單色儀光柵衍射角（即波長(zhǎng)掃描位置）與輸出波長(zhǎng)示值之間的關(guān)系，而光譜輻射照度的定標(biāo)就是建立各波長(zhǎng)處輸出的單色輻射照度值。

4.1 單色照明光斑波長(zhǎng)校準(zhǔn)

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

單色儀的波長(zhǎng)控制是由步進(jìn)電機(jī)掃描驅(qū)動(dòng)光柵衍射角實(shí)現(xiàn)的，由于步進(jìn)電機(jī)具有較好的位置重現(xiàn)性，且步進(jìn)電機(jī)掃描位置與輸出波長(zhǎng)之間的關(guān)系為固定的線性關(guān)系，因此只要建立掃描位置（步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步數(shù)）與波長(zhǎng)真值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可完成波長(zhǎng)校準(zhǔn)。波長(zhǎng)掃描位置通常采用線狀發(fā)射光譜的金屬元素?zé)糇鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源，如汞燈、鎘燈等，由于汞燈譜線比較豐富，所以本文波長(zhǎng)校準(zhǔn)采用汞燈特征譜線作為波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)光源。汞燈波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)燈的特征譜線位置見表1。

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

波長(zhǎng)校準(zhǔn)的方法如圖11 所示。將波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)準(zhǔn)單色儀入射狹縫，單色儀執(zhí)行波長(zhǎng)掃描，同時(shí)采用光電探測(cè)器接收和記錄單色儀的出射輻射，通過將探測(cè)器響應(yīng)輸出的峰值波長(zhǎng)位置和波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)燈的特征譜線進(jìn)行比較，就可以確定光譜響應(yīng)測(cè)試裝置的輸出波長(zhǎng)示值和真實(shí)值之間的關(guān)系。通過確定波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)燈的若干個(gè)特征譜線位置與對(duì)應(yīng)的單色儀輸出波長(zhǎng)示值，就可以建立單色儀掃描位置與輸出波長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系（一般為線性關(guān)系），這時(shí)采用線性回歸法就能確定任意掃描（位置）步數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出波長(zhǎng)。汞燈的光譜定標(biāo)裝置波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果如圖12 所示。

圖11 波長(zhǎng)校準(zhǔn)方法Fig.11 Schematic diagram of the wavelength calibration method

圖12 光譜定標(biāo)裝置波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果Fig.12Results of wavelength calibration

4.2 光譜輻射照度標(biāo)定

照明光斑的光譜輻射照度標(biāo)定決定測(cè)試結(jié)果的可靠性和精度，因此，需要對(duì)參考探測(cè)器進(jìn)行絕對(duì)光譜輻射照度響應(yīng)度標(biāo)定。參考探測(cè)器絕對(duì)光譜輻射定標(biāo)方法，將可調(diào)諧激光器的出射光作為單色入射光到F4 材料的積分球內(nèi)，將待測(cè)參考探測(cè)器置于積分球的樣品開口處（避開入射光直射照明），同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)激光光功率計(jì)（溯源與國(guó)家一級(jí)計(jì)量站輻射量值基準(zhǔn)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，改變?nèi)肷涔庾V段，最終得到參考探測(cè)器的絕對(duì)光譜響應(yīng)結(jié)果。國(guó)防計(jì)量一級(jí)站提供的對(duì)上述硅和硫化鉛兩種材料參考探測(cè)器進(jìn)行定標(biāo)的結(jié)果，如圖13 所示。

圖13 兩種類型參考標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線Fig.13 Spectral response curves of two types of standard detectors

利用參考探測(cè)器得到的絕對(duì)光譜響應(yīng)度，可以獲得單色儀出射經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)后照明光斑的絕對(duì)光譜輻射照度，從而可以計(jì)算得到待測(cè)探測(cè)器的光譜輻射照度響應(yīng)度。最終根據(jù)式（3）計(jì)算得到探測(cè)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(jié)束語

本文介紹了一套用于對(duì)紫外到短波紅外探測(cè)器進(jìn)行光電性能測(cè)試的裝置。測(cè)試裝置由寬光譜復(fù)合光源、單色儀、擴(kuò)束光路、樣品室、鎖相放大器、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器等構(gòu)成，并具體介紹了絕對(duì)/相對(duì)光譜響應(yīng)度、量子效率、歸一化探測(cè)率、頻響特性、偏壓響應(yīng)度和時(shí)間響應(yīng)參量的測(cè)試原理和測(cè)試方法，最后通過對(duì)照明光斑的波長(zhǎng)標(biāo)定和光譜輻射標(biāo)定，保證了測(cè)試結(jié)果的可靠性和精度，并給出標(biāo)定結(jié)果。測(cè)試裝置結(jié)合復(fù)合光源室使探測(cè)器的工作測(cè)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(cè)器進(jìn)行光電性能測(cè)試。測(cè)試裝置為探測(cè)器光電特性參量測(cè)試提供設(shè)備和評(píng)價(jià)依據(jù)，解決了多譜段探測(cè)器綜合性能指標(biāo)評(píng)價(jià)和篩選問題。