CN102721527A - 一种多用途的光绝对量值传递系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够测量基于光电倍增管的探测器的光绝对量值传递系统，该系统包括光源、探测系统以及位于光源和探测系统之间的减光系统，所述减光系统包括偏振片组和减光片组。本发明的光绝对量值传递系统具有多种用途，能够对光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围这些指标进行绝对测量。

Description

一种多用途的光绝对量值传递系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光绝对量值传递系统，特别是一种能够测量基于光电倍增管的探测器的光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围的多用途的光绝对量值传递系统。

背景技术

对于基于光电倍增管的光探测器来说，最重要的性能指标有光照灵敏度、辐射或计数灵敏度以及线性范围。光照灵敏度是指探测器在2856K色温的光源照射下，输出信号与光通量的比；辐射或计数灵敏度是指探测器在特定波长下的输出信号与该入射光功率的比，对于非光子计数型探测器称为辐射灵敏度，对于光子计数型探测器称为计数灵敏度；线性范围是指探测器的输出信号偏离理论值一定比例范围内对入射光通量的线性。

在现有技术中，光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围这些性能指标是分别用不同测试系统测试的，目前还没有专门用于这些指标的测试系统。如果采用多套测试系统，那么不但测试成本高，而且测试系统所占用的空间比较大，测试时操作也比较复杂。因此，急需一种能够测试光照灵敏度、辐射或计数灵敏度和线性范围这些性能指标的装置。

利用一套测试系统测试光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围，主要的困难在于光源和简化光路设计。在光源方面，光照灵敏度测试时需采用2856K标准A类光源；辐射或计数灵敏度测试时要求使用单色光源，并且有时需要提供不同波长的单色光源；线性范围测试时不但要求单色光源，还要求光的强度能够连续变化。在光路设计方面，光照灵敏度测试中所用元件较简单，但对于光电倍增管这类微弱光探测器来说，需要足够长的距离才能获得合适光强的入射光；辐射或计数灵敏度测试时，大部分光功率计不能直接适用于微弱光探测器；线性范围测试时，可通过改变探测器与光源的距离来获得不同强度的光，但占用空间较大，也可以通过改变偏振片组的角度或使用滤光片组来获取不同强度的光，但测试准确度不高，还可以采用光源叠加法测量线性范围，这种方法虽然精度满足要求，但由于光路较多，比较复杂，也容易引入误差。

此外，现有技术中光照灵敏度、辐射或计数灵敏度的测量多为相对测量，另需一个标准探测器对结果进行修正。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中光照灵敏度、辐射或计数灵敏度和线性范围采用不同测试系统分别测试造成仪器占用空间大、测试精度低及成本高的问题，提供一种多用途的光绝对量值传递系统，实现一个测试系统可对这些指标进行绝对测量，并且测试系统设计简单、成本低。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多用途的光绝对量值传递系统，该系统包括现有技术中的光源和探测系统，其特征在于：在光源和探测系统之间设有减光系统，所述减光系统包括偏振片组和减光片组。

当上述量值传递系统用于测试光照灵敏度时，所述光源为标准A类光源，所述探测系统包括照度计，用于测试入射光的光照度。

当上述量值传递系统用于测试辐射或计数灵敏度时，所述光源为单色光源，或者在光源和减光系统之间设有单色仪以获取单色光；在所述光源与单色仪之间还包括透镜，用于增强入射到单色仪的光强。

当上述量值传递系统用于测试线性范围时，所述光源采用单色光源或准单色光源，或者在光源与减光系统之间设有单色仪以获得单色光源；所述减光系统用于对入射光进行衰减并产生线性范围的两个变量，其中所述偏振片组的偏振片间的夹角依据探测器的输出信号强度进行调节，减光片组至少包括一个专用减光片或者一个与参考探测器连接的分光镜片，通过专用减光片移出或移入光路产生线性范围的两个变量，或者通过分光镜片将入射光分成参考光和被测光以产生线性范围的两个变量；此外，减光片组中还可以包括可选减光片，以便配合偏振片组对光强进行辅助调节。

如上述光绝对量值传递系统，所述减光片优选为中性减光片。

如上述光绝对量值传递系统，所述光源和单色仪之间还包括滤光片，用于去除杂散光。

如上述光绝对量值传递系统，所述光源或探测系统中设有固定支架，用于替换光源或探测器时保证位置固定。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种如上所述的光绝对量值传递系统的使用方法：

当测试光照灵敏度时，首先，采用标准A类光源，通过减光系统对光强进行调节；然后，用照度计测量入射到探测器的光照度，记为w₁，则入射到探测器的光通量

s₁为被测探测器的有效受照而积；最后，用被测探测器取代照度计得到被测探测器的输出信号i₁，则光照灵敏度

当测试辐射或计数灵敏度时，首先，用单色仪分选出单色光，调节减光系统使入射光的光功率在光功率计的工作范围内，测试此时的光功率密度，记为w₂；然后，调节减光系统使入射光的光功率在被测探测器的工作范围内，记录此时的光衰减系数η；最后，用被测探测器取代光功率计，测试此时被测探测器的输出信号，记为i₂，则辐射或计数灵敏度S₂＝i₂/(w₂ηs₂)，其中，s₂为探测器的光敏面积。

当测试线性范围时，首先，调节减光系统，将专用减光片移出测试光路得到被测探测器的第一输出信号I₁；然后，将专用减光片移入测试光路得到被测探测器的第二输出信号I₂；最后，通过调节减光系统得到不同光强下的第一输出信号和第二输出信号，并绘制第一输出信号与第二输出信号之比I₁/I₂与第一输出信号I₁的关系曲线，或绘制第一输出信号I₁与第二输出信号I₂的关系曲线。

此外，测试线性范围时，用分光镜片取代专用减光片，将分光镜片分别与参考探测器和被测探测器光学连接；然后，通过减光系统调节光强，测试不同光强下参考探测器与被测探测器的输出信号；最后，绘制参考探测器输出信号与被测探测器输出信号的线性关系。

本发明通过采用减光系统大大简化了光路设计，测试光照灵敏度时，通过调节光强，大大减小了测试系统占用的空间；测试辐射或计数灵敏度时，通过减光系统实现了对多种探测器辐射或计数灵敏度的测试，降低了对光源的要求，从而降低了成本；测试线性范围时专用减光片或分光镜片的使用简化了光路设计，依据探测器的输出调节偏振片间的角度，提高了测试的准确性。本发明的多用途的光绝对量值传递系统实现了用一个测试系统测量光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围的绝对量值，简化了光路设计，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的光绝对量值传递系统的原理框图；

图2为本发明的光绝对量值传递系统采用专用减光片测试线性范围的效果图。

具体实施方式

实施例1本发明的光绝对量值传递系统

如图1所示，本发明提供的光绝对量值传递系统包括光源、单色仪、减光系统和探测系统，各组成部分之间通过光学连接。

测试光照灵敏度、辐射或计数灵敏度、线性范围时需要采用不同光源，为了保证更换不同光源时光源位置的一致性，在光源处设有固定支架。测试光照灵敏度时采用标准A类光源；测试辐射或计数灵敏度时采用标准光源，或氘灯光源，或氙灯光源；测试线性范围时可以采用任何光源，为了提高测试精度，优先采用单色光源或准单色光源。此外，在光源后可以设一单色仪，以便分选出单色光。为了避免杂散光的干扰，可在光源与单色仪之间使用滤光片；为了增强入射到单色仪的光强，还可以在光源与单色仪之间设置透镜。

减光系统包括偏振片组和减光片组。测试时偏振片组可对光强进行连续调节，需要注意的是在测试线性范围时，为了避免传统方式中探测器的输出对偏振片间夹角变化依赖性较大的问题，可以依据探测器的输出强度调节偏振片间的夹角；减光片组包括专用减光片和可选减光片，可选减光片用于配合偏振片组对光强进行辅助调节，专用减光片在测试线性范围过程中用于提供线性范围的两个变量，也就是专用减光片移出光路时探测器的输出信号和专用减光片移入光路时探测器的输出信号。为了使不同波长光强下减光片的衰减系数保持恒定，优选使用中性减光片。此外，测试线性范围时，还可以用一个与参考探测器光学连接的分光镜片取代专用减光片，通过分光镜片将衰减后的光强分成参考光和测试光，从而得到线性范围的两个变量。

探测系统包括探测器、测试支架以及探测器的信号处理电路。当测试光照灵敏度时，需要使用照度计和被测探测器，照度计用于测试入射光的光照度；当测试辐射或计数灵敏度时，需要使用光功率计和被测探测器，光功率计用于测试入射光的光功率密度；当测试线性范围时，可以仅使用被测探测器，通过专用减光片获得线性范围的两个变量，也可以使用参考探测器和被测探测器，通过分光镜片获得线性范围的两个变量。在测试的过程中需要经常更换参考件和被测件，为了保证参考件和被测件的位置一致，探测系统中设置有测试支架，测试支架上有不同的测试位置，测试时可将参考件和被测件同时放在测试支架上的不同测试位置处，也可以在同一测试位置上分别测试参考件和被测件的输出信号。

实施例2光照灵敏度的测试

具体操作步骤包括：首先，采用标准A类光源，通过减光系统对光强进行调节；然后，用照度计测量入射到探测器的光照度，记为w₁，则入射到探测器的光通量

s₁为被测探测器的有效受照面积；最后，用被测探测器取代照度计得到被测探测器的输出信号i₁，则光照灵敏度

以光电倍增管为例，有效受照面积为1cm²，用照度计测得其光照度为1*10^-3lm/m²，光电倍增管输出电流为10μA，则该光电倍增管的光照灵敏度为100A/lm。

实施例3辐射或计数灵敏度的测试

具体操作步骤包括：首先，用单色仪分选出单色光，调节减光系统使入射光的光功率在光功率计的工作范围内，测试此时的光功率密度，记为w₂；然后，调节减光系统使入射光的光功率在被测探测器的工作范围内，记录此时的光衰减系数η；最后，用被测探测器取代光功率计，测试此时被测探测器的输出信号，记为i₂，则辐射或计数灵敏度S₂＝i₂/(w₂ηs₂)，其中，s₂为探测器的光敏面积。

以最大工作功率为40pW、光敏面积为1cm²的光子计数探头，测量范围下限为0.01*10^-5W/m²的光功率计为例，测试550nm单色光照射下的计数灵敏度。用光功率计测得入射光的光功率密度为1.02*10^-5W/m²；调节减光系统使入射光在光子计数探头的工作范围内，测得探头的计数率为2.27*10⁵cps，此时减光片的光衰减系数η为1.0*10^-3，则计数灵敏度S₂＝2.23*10⁵cps/pW。

实施例4线性范围的测试

具体操作步骤包括：首先，调节减光系统，将专用减光片移出测试光路得到被测探测器的第一输出信号I₁；然后，将专用减光片移入测试光路得到被测探测器的第二输出信号I₂；最后，通过调节减光系统得到不同光强下的第一输出信号和第二输出信号，并绘制第一输出信号与第二输出信号之比I₁/I₂与第一输出信号I₁的关系曲线，或绘制第一输出信号I₁与第二输出信号I₂的关系曲线。

以光子计数探头为例，采用LED光源、减光比为3的专用减光片测试线性范围，以偏离理论值10％作为最大线性的判定标准，绘制I₁/I₂与I1的关系曲线，如图2所示，当测试得到的I₁/I₂＝2.7时，其对应的线性输出为2.5Mcps，说明该光子计数探头的线性范围在2.5Mcps之内。

Claims (9)

1.一种多用途的光绝对量值传递系统，包括光源和探测系统，其特征在于：所述光源和探测系统之间设有减光系统，所述减光系统包括偏振片组和减光片组。

2.如权利要求1所述的光绝对量值传递系统，其特征在于：

测试光照灵敏度时，所述光源为标准A类光源，所述探测系统包括照度计，用于测试入射光的光照度；

测试辐射或计数灵敏度时，所述光源为单色光源或者所述光源和减光系统之间设有单色仪以获取单色光；

测试线性范围时，所述光源采用单色光源或者准单色光源，或者所述光源与减光系统之间设有单色仪以获得单色光源，所述减光系统用于对入射光进行衰减并产生线性范围的两个变量，其中，所述偏振片组的偏振片间的夹角依据探测器的输出信号进行调节，所述减光片组至少包括一个专用减光片或者一个与参考探测器连接的分光镜片。

3.如权利要求1或2所述的光绝对量值传递系统，其特征在于：所述减光片组中包括可选减光片，用于配合偏振片组对光强进行辅助调节。

4.如权利要求3所述的光绝对量值传递系统，其特征在于：所述减光片为中性减光片。

5.如权利要求2所述的光绝对量值传递系统，其特征在于：所述光源与单色仪之间包括透镜或者滤光片。

6.如权利要求1或2所述的光绝对量值传递系统的使用方法，其特征在于：当测试光照灵敏度时，首先，采用标准A类光源，通过减光系统对光强进行调节；然后，用照度计测量入射到探测器的光照度，记为w₁，则入射到探测器的光通量

s₁为被测探测器的有效受照面积；最后，用被测探测器取代照度计得到被测探测器的输出信号i₁，则光照灵敏度

7.如权利要求1或2所述的光绝对量值传递系统的使用方法，其特征在于：当测试辐射或计数灵敏度时，首先，用单色仪分选出单色光，调节减光系统使入射光的光功率在光功率计的工作范围内，测试此时的光功率密度，记为w₂；然后，调节减光系统使入射光的光功率在被测探测器的工作范围内，记录此时的光衰减系数η；最后，用被测探测器取代光功率计，测试此时被测探测器的输出信号，记为i₂，则辐射或计数灵敏度S₂＝i₂/(w₂ηs₂)，其中，s₂为探测器的光敏面积。

8.如权利要求1或2所述的光绝对量值传递系统的使用方法，其特征在于：当测试线性范围时，首先，调节减光系统，将专用减光片移出测试光路得到被测探测器的第一输出信号I₁；然后，将专用减光片移入测试光路得到被测探测器的第二输出信号I₂；最后，通过调节减光系统得到不同光强下的第一输出信号和第二输出信号，并绘制第一输出信号与第二输出信号之比I₁/I₂与第一输出信号I₁的关系曲线，或绘制第一输出信号I₁与第二输出信号I₂的关系曲线。

9.如权利要求8所述的光绝对量值传递系统的使用方法，其特征在于：首先，用分光镜片取代专用减光片，将分光镜片分别与参考探测器和被测探测器光学连接；然后，通过减光系统调节光强，测试不同光强下参考探测器与被测探测器的输出信号；最后，绘制参考探测器输出信号与被测探测器输出信号的线性关系。

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