CN101097169A - 高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统和方法，是将激光器发出的激光，入射到单面元光电探测器的探测面上，控制单面元光电探测器的探测面在水平与垂直方向移动，这样探测面的每个区域均被同一激光器发出的激光扫描，通过采集处理单面元探测器输出的电信号，则可以测量该单面元光电探测器的空间响应均匀性。本发明建立了一种测量陷阱探测器均匀性的系统，对基于各种单面元的光电二极管的探测器的均匀性做了高精度的测量。

Description

高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统和方法

技术领域

本发明属于光辐射绝对精密测量方法与装置，具体是高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统和方法。

背景技术

单面元探测器的均匀性，是评价整个探测器重要的一个参数。到目前为止，通常对于高精度单面元探测器均匀性测量在实验室还采取手动方法，这种技术所能达到的不确定度，通常只有千分之几的水平；而国外NPL实验室也有针对高精度探测器测量均匀性的系统，但设备笨重，造价昂贵。

对于现代高精度辐射测量中，常规的均匀性检测方法所能达到的准确度在很多应用领域已不能满足要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统和方法，使用基于二维步进电机的平移系统，其简单性和不确定度都有较大的提高，可以精确的测量探测器的均匀性。以对于硅陷阱探测器的均匀性测量为例，其均匀性不确定度在直径5mm之内，可以达到万分之几的量级。

本发明的技术方案如下：

高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统，包括有单面元光电探测器，其特征在于光学平台上安装有激光器，激光器前端安装有单面元光电探测器，单面元光电探测器的探测面和激光器发出的光束垂直，单面元光电探测器安装在一个能沿水平方向和垂直方向运动的二维平台上，二维平台由二维步进电机驱动，二维步进电机由计算机控制；单面元光电探测器的信号输出端经过信号采集器输出计算机处理。

所述的激光器与单面元探测器之间的光路中依次安装有偏振片、激光功率控制器、空间滤波器、分束片。安装偏振片是为了让功率控制器工作的，功率控制器必须要输入偏振光才能工作。某种意义上可以将偏振片和功率控制器可以看作一体，都是为了稳定光功率的。

高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量方法，其特征在于是将激光器发出的激光，入射到单面元光电探测器的探测面上，控制单面元光电探测器的探测面在水平与垂直方向移动，这样探测面的每个区域均被同一激光器发出的激光扫描，通过采集处理单面元探测器输出的电信号，则可以测量该单面元光电探测器的空间响应均匀性。

所述的激光器发出的激光，在不同时间其光斑大小相同。

发明的效果

经性能检测，以对于硅陷阱探测器的均匀性测量为例，其均匀性不确定度在直径5mm之内，可以达到万分之几的量级。

附图说明

图1为本发明光路结构及机电连接图。

图2为本发明系统结构示意图。

图3为633nm激光器作为光源的测量结果。

图4为514nm激光器作为光源的测量结果

具体实施方式

参见附图。

1、光路设计

图1中，由He-Ne激光器出射的激光，通过起偏器(偏振片)产生垂直偏振光，满足LPC的需要。其中起偏器为格兰泰勒棱镜，使用波段为300nm-2500nm，覆盖了所要进行测量的可见光波段。偏振光到达激光功率控制器LPC(leser powercontroller)，使激光的功率进一步的稳定。光路中采用的LPC为美国CRI公司LPC-VIS/NIR，工作波段为400nm-1100nm，最大透过滤为85％，可以使激光功率8小时稳定在0.05％以内。图中监视探测器是为了监测激光功率的长期稳定性。为了消除光束中由于光学缺陷和空气中微粒的散射造成光强随机扰动的影响，我们在光路中加入了空间滤波器。它是Newport公司模块式产品，它由一个显微物镜和一个50微米的铂铱合金针孔组成。采用该光路的光束质量高，整体稳定。

2、机电硬件

图1中，机电硬件由二维平台、待测探测器、HP34970A采集器和计算机及其系列接口构成。由于二维平台中要承载探测器，探测器的本身精度又很高，还要满足编程的要求，和计算机要有控制指令和协议。通过市场调研，选用卓立汉光ASA系列二维步进电机系统驱动二维平台，其各项参数均符合要求，承重部位采用优质高强度材质，运行稳定可靠。步进电机系统由SC系列步进电机控制器和二维步进电机组成。二维行程：105mm，单步步长：1.25um，根据试验用探测器入光孔径，选取10mm×10mm扫描面积，基本覆盖探测器的进光口面积，在x、y轴(水平与垂直轴)上步长可选。

用HP34970A多路采集器进行数据采集。采集器和计算机之间的接口采用美国NI公司GPIB(IE488)总线控制接口板。

HP34970A采集器具有20通道，(最多可达120个通道)，6位半的分辨率，0.004％基本直流精度，250通道/秒扫描速率，50000个读数存贮，可测量交直流电流、电阻、频率和周期，以及由热电耦、热电阻和热敏电阻提供的温度直流和交流电压，标准GPIB和RS232接口。

GPIB已经非常常用。

GPIB即General-Purpose Interface Bus。用于连接计算机和可编程仪器.由于其高转换速率(通常可达1Mbytes/s)，这种接口总线得到普遍认可，并被定为IEEE标准。GPIB接口系统中的计算机和仪器之间用屏蔽的GPIB电缆和GPIB卡连接，采用的是美国NI公司的GPIB-PC2/2A接口卡。此接口卡采用NAT4882芯片，可插接在16位ISA总线扩展槽上。PC机利用此接口卡，GPIB总线电缆与GPIB仪器相连，在软件的支持为一台完善的GPIB系统控制器。GPIB接口卡上配置了一组DIP开关通过它们对卡进行硬件设置：ROM的址、GPIB的I/O地址。还有两组跳线，分别设置中断请求和DMA的通道。

3、软件的开发

实现系统的功能，就要求软件对步进电机的驱动，进行逐行扫描的运作，其扫描的步长、速度和步数是可控制的。并在电机运作每一步的过程中，实现采集器的一次测量。并最终保存数据于文件中，以便数据处理软件进行处理。

图(2)为软件流程图

4、测量参数的选定

在测量过程中，用基于ccd相机的光束分析系统，可以得到照射到探测器上的高斯光斑大小直径(1/e²)。监视探测器构成反馈电路来提高构成整个系统的稳定性，激光器对待测探测器(本例针对TRAP陷阱探测器)的垂直入射，通过调节空间滤波器上的透镜来调整光束直径，功率用LPC控制在0.08mw，由于衍射和干涉现象对系统的测量结果影响非常小，所以不予考虑。

5、测量结果(经处理后均匀性图像)

图(3)是633波长He-Ne激光器作为光源，光斑尺寸为1.5mm每点采取50次取平均值，测量步长0.5mm完成一个扫描周期用大约2小时。最后标准偏差为0.023。

图(4)是514波长氩离子激光器作为光源，每点采取50次取平均值，光斑尺寸为0.6mm，测量步长0.2，完成一个扫描周期约用7个小时。标准偏差为0.005。从图(3)可以看出，图象不遵循正四边形(硅光电二极管的响应面是正四边形)，这是由于试验中杂散光的影响。尽量减小杂散光源后，图(4)显示出近似正四边形的形状。在图(4)中的细小凹坑是由于硅二极管响应面上工艺缺陷或者灰尘点所造成的。

去除上述影响，我们可以得到一个较好的响应均匀性。中央区域处均匀处平均校准偏差能达到万分之5以内。相对不确定度大约为万分之二。这为标准探测器的联合不确定度要达到万分之四以内，提供性能依据。

通过本发明系统以这两个不同波长进行的测试，所得均匀性的精度和以前的数据相比较，得到了显著的提高，并通过不间断的测试和不同波长、步长、速度的切换，测试了系统的稳定性。对所得到的结果进行了分析，结果显示同样一块二极管，在波长514nm和波长633nm的空间均匀性具有不同性质。其中s1337为例，在514比较均匀性较好。以探测器外壳的中心为参考点，取1mm的直径的区域的均匀性做测量。在中心距离2mm面积处相对标准偏差在5×10^-4，在中心距离5mm处的均差为9×10^-3其结果显示了探测器响应面积的中心具有最好的均匀性^[5]。并且显示了一定的旋转对称的空间响应度。

Claims (4)

1、高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统，包括有单面元光电探测器，其特征在于光学平台上安装有激光器，激光器前端安装有单面元光电探测器，单面元光电探测器的探测面和激光器发出的光束垂直，单面元光电探测器安装在一个能沿水平方向和垂直方向运动的二维平台上，二维平台由二维步进电机驱动，二维步进电机由计算机控制；单面元光电探测器的信号输出端经过信号采集器输出计算机处理。

2、根据权利要求1所述的高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量系统，其特征在于所述的激光器与单面元探测器之间的光路中依次安装有偏振片、激光功率控制器、空间滤波器、分束片。

3、高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量方法，其特征在于是将激光器发出的激光，入射到单面元光电探测器的探测面上，控制单面元光电探测器的探测面在水平与垂直方向移动，这样探测面的每个区域均被同一激光器发出的激光扫描，通过采集处理单面元探测器输出的电信号，则可以测量该单面元光电探测器的空间响应均匀性。

4、根据权利要求3所述的高精度光辐射标准探测器空间响应均匀性测量方法，其特征在于其特征在于所述的激光器发出的激光，在不同时间其光斑大小相同。

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