CN102914323B - 一种光电探测器绝对光谱响应的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器绝对光谱响应的校准方法，涉及光电探测器的测试。设有光栅光谱仪、光电采集电路、计算机、待测光电探测器、标准光谱辐照度探头、套筒、会聚透镜组、光源、LED温控夹具和LED稳流源。测出待测光电探测器相对光谱响应得相对光谱响应曲线；把探头和光源固定在套筒里，点亮LED和开启夹具，测出不同电流下LED的光谱辐照度分布；把探头卸掉，将待测光电探测器固定在套筒中，待测光电探测器响应电流经光电采集电路采集不同波长光照下的响应电流值，并送给计算机；已知相对光谱响应和待测光电探测器在LED光源的照射下的响应电流可计算出待测光电探测器的绝对光谱响应度。最终绘出响应度-波长曲线。

Description

一种光电探测器绝对光谱响应的校准方法

技术领域

本发明涉及光电探测器的测试，尤其是涉及一种光电探测器绝对光谱响应测试的校准方法。 

背景技术

光电探测器是光电转换器件，在光谱测量中，光电探测器的光谱特性是器件选择的重要依据，因此光电探测器光谱响应测试在光电探测器的生产、检测和应用等领域有着良好的应用前景。响应度是光电探测器最重要的性能参数，也是其它参数计算的重要依据之一。光电探测器的光谱响应度分为绝对和相对两类。绝对光谱响应度R_Φ(λ)是指在某一特定波长λ处，光电探测器输出的电流与其接收到的辐射通量的比值: 

$R_{\mathrm{\Φ}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\λ}\right)}(A/W)---\left(1\right)$

实验过程中，一般光测量相对光谱响应，再进一步校准得到绝对光谱响应补入。校准过程中入射光斑小于或等于器件的光敏面积，辐射功率被器件完全接收。一般以低温辐射计为初级标准进行高精度光辐射定标和标准传递补入，而以校准过的高灵敏度光电探测器作为传递标准进行待测探测器的相对和绝对光谱响应测量。 

实际测量中，一般选用激光作为绝对响应校准用光源补入，因为激光光束发散角很小，一般经过聚焦等光路调整后，全部辐射能能够落在光电探测器的接收面上，直接可以测定其辐射功率。但是辐射场入射光斑由于像差等原因往往不能聚焦到很小，直接测量绝对光谱辐通量响应度R_Φ(λ)对于光敏面积小的光电探测器难度较大；对于红外波段光电探测器，聚焦就更困难；而对于带有放大功能的光电探测器，由于激光功率较大，容易出现饱和。另一方面，单色光均匀性和光斑大小与标准探测器之间的匹配度也会进一步引起测试误差。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电探测器绝对光谱响应的校准方法及其装置。这里我们利 用LED光谱参数可调、稳定的优点作为校准用光源，使辐照度均匀的辐射场面积大于光电探测器的有效光敏面积，并利用标定过的已知绝对光谱辐照度的标准光电探测器测量校准光源LED的辐照度，然后在已知照度下测量待测光电探测器接收到的总辐射功率，通过计算得到待测光电探测器的绝对光谱响应度及外量子效率，使待测光电探测器绝对光谱响应校准不受有效光敏面积限制，扩大了系统的使用范围。 

本发明所述一种光电探测器绝对光谱响应校准装置设有光栅光谱仪、光电采集电路、计算机、待测光电探测器、标准光谱辐照度探头、圆形套筒、平行光会聚透镜组、LED光源、LED温控夹具和LED稳流源。 

所述光电采集电路的输入端接光栅光谱仪的输出端，所述光电采集电路的输出端接计算机的输入端口；LED光源固定在LED温控夹具上，所述平行光会聚透镜组设在LED光源的前方并固定在圆形套筒上，待测光电探测器或标准光谱辐照度探头固定在圆形套筒内，待测光电探测器的光敏面积上的辐照度与标准光谱福照度探头探测到的辐照度一致；LED光源与LED稳流源连接。 

本发明所述光电探测器绝对光谱响应的校准方法，采用所述一种光电探测器绝对光谱响应校准装置，所述校准方法包括以下步骤： 

1）测量出待测光电探测器的相对光谱响应，得到待测光电探测器的相对光谱响应曲线； 

2）把标准光谱辐照度探头和LED光源固定在圆形套筒里，点亮LED和开启LED温控夹具，待温度稳定后测出不同电流下LED的光谱辐照度分布。 

3）把标准光谱辐照度探头卸掉，将待测光电探测器通过底座固定在圆形套筒中，使其感光处和原来标准光谱辐照度探头处于同一位置; 

4）待测光电探测器的响应电流经带有精密电流表的光电采集电路采集不同波长光照下的响应电流值，并送给计算机处理； 

5）已知相对光谱响应和待测光电探测器在LED光源的照射下的响应电流可以计算出待测光电探测器的绝对光谱响应度，最终绘出响应度-波长曲线即为待测光电探测器的绝对光谱响应曲线并计算相应波长下的外量子效率。 

已知绝对光谱辐照度的标准光电探测器和待测光电探测器，在相同的辐照度E(λ)下产生不同的电流值I_s和I_t（下标s，t分别表示标准光电探测器和待测光电探测器），此时入射到标准光电探测器和待测光电探测器表面的辐射功率分别为： 

Φ_s＝S_s×E(λ)(W)(2) 

Φ_t＝S_t×E(λ)(W)(3) 

其中S_s、S_t分别表示标准光电探测器和待测光电探测器的有效光敏面积。 

按照公式(1),此时标准光电探测器和待测光电探测器的绝对光谱辐通量响应度分别为： 

$R_s\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_s}{{\mathrm{\Φ}}_s}=\frac{I_s}{S_s\×E\left(\mathrm{\λ}\right)}(A/W)---\left(4\right)$

$R_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_t}{{\mathrm{\Φ}}_t}=\frac{I_t}{S_t\×E\left(\mathrm{\λ}\right)}(A/W)---\left(5\right)$

其中R_s(λ)为标准光电探测器的标定值。 

式(4)和(5)相比可得到待测光电探测器的绝对光谱辐响应度为： 

$R_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{R_s\left(\mathrm{\λ}\right)\×I_t\×S_s}{I_s\×S_t}(A/W)---\left(6\right)$

量子效率的计算公式为： 

$\mathrm{\η}=\frac{1.24\×R_t\left(\mathrm{\λ}\right)(A/W)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\μm}\right)}---\left(7\right)$

但是，实验中由于位置偏差或是光斑大小不能完全覆盖待测光电探测器芯片等客观原因，从而测得的光谱辐响应度往往只是相对值。对于上述实验，一般采用的是单色性较好的激光光源作为校准光源，通过校准某一波长下待测光电探测器的绝对光谱响应度就可以得到待测光电探测器在整个光谱范围的绝对响应度。但是这种传统的实验方法存在一定的缺点：由于激光光斑面积必须要聚焦到小于待测光电探测器的光敏面积，从而限制了光敏面积较小的光电探测器的校准工作；对于红外波段光电探测器，聚焦就更困难；而对于带有放大功能的光电探测器，由于激光功率较大，容易出现饱和。另一方面，单色光均匀性和光斑大小与标准探测器之间的匹配度也会进一步引起测试误差。 

本发明所述光电探测器绝对光谱响应校准装置的实验原理如下： 

由于LED发光光谱在可见光范围内是连续的，而不是单色光。因此先用标准光谱辐照度探头探测出LED在可见光谱范围内辐照度分布E_e(λ)，则在整个辐射光谱范围内，总的辐照度为： 

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{E}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left({W/m}^2\right)---\left(8\right)$

用待测光电探测器原位替代标准辐照度探头，此时，待测光电探测器有效光敏面积A上接收到的总辐射功率为： 

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(W\right)---\left(9\right)$

设待测光电探测器的相对光谱响应为R_rel(λ)，则该光电探测器在LED辐照下的响应电流为： 

$I=k\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\·R_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(A\right)---\left(10\right)$

上式中A为待测光电探测器的有效光敏面积，E_e(λ)为LED的光谱辐照度分布，R_rel(λ)为待测光电探测器的相对光谱响应，λ₁,λ₂为LED发光光谱的上下限，I为待测光电探测器在LED照射下的响应电流。当然，这里所用的LED的发光光谱范围必须和待测光电探测器的光谱响应范围有一定的交集。通过以上各已知量，可以得到系数： 

$k=\frac{I}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\·R_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(11\right)$

则待测光电探测器的绝对光谱响应R_abs(λ)为： 

R_abs(λ)＝k·R_rel(λ)(A/W)(12) 

本发明相对于现有的光电探测器光谱响应校准方法具有如下优点： 

1）可以非常方便地通过各种测试仪器和光路组件进行光电探测器的光谱特性曲线测试和校准。 

2）该装置不受光电探测器有效光敏面积大小限制,扩大了系统的使用范围。且该装置简单，稍微改装和配置就能实现校准过程。 

3）经过控温的LED光源光谱稳定，可通过调节输入电流大小获得不同的光照度，对于带有放大电路的光电探测器，不容易出现饱和现象。给测试带来了灵活性。 

4）利用LED光源代替原有的激光光源作为校准光源，降低成本，易于操作，光谱范围丰富，方便选择。且激光的输出功率较大，对于带有放大电路的光电探测器容易出现饱和现象，使校准无法进行。传统的激光器对小面积光电探测器的聚焦难于实现，而且光路中的衰减难以计算，所以也会给校准带来误差。 

附图说明

图1为本发明利用标准光谱辐照度探头测量LED光源在不同波长下的光谱辐照度分布的装置图。 

图2为待测光电探测器在LED光源照射下的绝对光谱响应度测试的装置图。 

图3为本发明实施例的待测光电探测器的相对光谱响应曲线。在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为相对光谱响应度Relative Response(μA/W)。 

图4为本发明实施例1所用的白光LED在不同电流下的光谱辐照度分布。在图4中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为光谱辐照度Irradiance(W/m²·nm)；曲线1为白光LED在100mA工作电流下的光谱辐照度分布，曲线2为在200mA工作电流下的光谱辐照度分布，曲线3为在300mA工作电流下的光谱辐照度分布。 

图5为本发明实施例2所用的蓝光LED在不同电流下的光谱辐照度分布。在图4中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为光谱辐照度Irradiance(W/m²·nm)；曲线1为蓝光LED在100mA工作电流下的光谱辐照度分布，曲线2为在200mA工作电流下的光谱辐照度分布，曲线3为在300mA工作电流下的光谱辐照度分布。 

图6本发明实施例1的待测光电探测器经白光LED校准后的绝对光谱响应曲线。在图5中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为绝对光谱响应度Absolute Response(A/W)。在图6中，待测光电探测器在白光LED不同工作电流下的绝对光谱响应曲线重合得较好。 

图7为本发明实施例2的待测光电探测器经蓝光LED校准后的绝对光谱响应曲线。在图7中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为绝对光谱响应度Absolute Response(A/W)。在图7中，待测光电探测器在蓝光LED不同工作电流下的绝对光谱响应曲线重合得较好。 

在图1和2中，各标记为：1-光栅光谱仪，2-光电采集电路，3-计算机，4-待测光电探测器，5-标准光谱辐照度探头，6-圆形套筒，7-平行光会聚透镜组，8-光源，9-控温夹具，10-稳流源。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。 

参见图1和2，本发明所述一种光电探测器绝对光谱响应校准装置实施例设有光栅光谱仪1、光电采集电路2、计算机3、待测光电探测器4、标准光谱辐照度探头5、圆形套筒6、平行光会聚透镜组7、LED光源8、LED温控夹具9和LED稳流源10。 

所述光电采集电路2的输入端接光栅光谱仪1的输出端，所述光电采集电路2的输出端接计算机3的输入端口；LED光源8固定在LED温控夹具9上，所述平行光会聚透镜组7设在LED光源8的前方并固定在圆形套筒6上，待测光电探测器4或标准光谱辐照度探头5固定在圆形套筒6内，待测光电探测器4的光敏面积上的辐照度与标准光谱福照度探头探测到的辐照度一致；LED光源8与LED稳流源10连接。 

以下给出使用所述一种光电探测器绝对光谱响应校准装置的校准方法。 

实施例1 

（1）将待测光电探测器4通过固定支架固定在光栅光谱仪1的光输出口处，LED光源8经平行光会聚透镜组7的光栅分光后入射到待测光电探测器4的光敏面积上，待测光电探测器4的响应电流由带有精密源表的光电采集电路2采集后送计算机3处理，绘制出不同波长下探测器的响应电流与激发波长的关系曲线，即待测光电探测器的相对光谱响应曲线，设其相对光谱响应为R_rel(λ)，如图3所示。 

（2）将白光LED光源8固定在LED温控夹具9上，同时将标准光谱辐照度探头5分别固定在圆形套筒6的两端；点亮LED，分别设置其工作电流为100mA，200mA和300mA，将热沉温度设定为25℃，待热沉温度稳定后，利用标准光谱辐照度探头5测量出白光LED光谱功率分布，光谱范围为380-780nm，如图4所示。计算出LED总的辐射功率： 其中λ₁＝380nm，λ₂＝780nm。 

（3）将待测光电探测4器固定在圆形套筒6里，使其感光处的位置和原来标准光谱辐照度探头5的位置一致，以确保光敏面积上的辐照度和标准光谱辐照度探头探测到的辐照度一致。接好待测光电探测器的电源和光电采集电路2所需要的源表，将采集的信号传送给计算机3进行数据处理。此时，待测光电探测器4有效光敏面积A上接收到的总辐射功率为：  ${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(W\right)$

设待测光电探测器4在所要求的探测的光谱范围内的相对光谱响应为R_rel(λ)，则该探测器在LED辐照下的响应电流为： 

$I=k\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\·R_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(A\right)$

（4）根据以上理论，通过各已知量，可以得到系数k，最后计算出待测光电探测器4的绝对光谱响应R_abs(λ)＝k·R_rel(λ)，绘出待测光电探测器4经白光LED校准后的绝对光谱响应曲线，如图5所示。在图5中，待测光电探测器在白光LED不同工作电流下的绝对光谱响应曲线重合得较好。 

实施例2 

（1）将待测光电探测器4通过固定支架固定在光栅光谱仪1的光输出口处，LED光源8经平行光会聚透镜组7的光栅分光后入射到待测光电探测器4的光敏面积上，待测光电探测器4的响应电流由带有精密源表的光电采集电路2采集后送计算机3处理，绘制出不同波长 下光电探测器的响应电流与激发波长的关系曲线，即待测光电探测器4的相对光谱响应曲线，设其相对光谱响应为R_rel(λ)，如图3所示。 

（2）将蓝光LED光源12固定在LED温控夹具9上，同时将标准光谱辐照度探头5分别固定在圆形套筒6的两端；点亮LED，分别设置其工作电流为100mA，200mA和300mA，将热沉温度设定为25℃，待热沉温度稳定后，利用标准光谱辐照度探头5测量出蓝光LED光谱功率分布，光谱范围为380～780nm，如图6所示。计算出LED总的辐射功率： 其中λ₁＝380nm，λ₂＝780nm。 

（3）将待测光电探测器4固定在圆形套筒6里，使其感光处的位置和原来标准光谱辐照度探头5的位置一致，以确保光敏面积上的辐照度和标准光谱辐照度探头探测到的辐照度一致。接好待测光电探测器4的电源和光电采集电路2所需要的源表，将采集的信号传送给计算机3进行数据处理。此时，待测光电探测器4有效光敏面积A上接收到的总辐射功率为： 

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(W\right)$

设待测光电探测器4在所要求的探测的光谱范围内的相对光谱响应为R_rel(λ)，则该待测光电探测器4在LED辐照下的响应电流为： 

$I=k\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\·E_e\left(\mathrm{\λ}\right)\·R_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\left(A\right)$

（4）根据以上理论，通过各已知量，可以得到系数k，最后计算出待测光电探测器4的绝对光谱响应，R_abs(λ)＝k·R_rel(λ)，绘出待测光电探测器4经蓝光LED校准后的绝对光谱响应曲线，见图7。在图7中，待测光电探测器4在蓝光LED不同工作电流下的绝对光谱响应曲线重合得较好。 

为了比较两种不同光谱分布的LED的校准结果的差异，我们把待测光电探测器分别经蓝光和白光LED校准后的绝对光谱响应进行比较，经两种LED校准的绝对光谱响应率相差小于5%。 

Claims (1)

1.光电探测器绝对光谱响应的校准方法，其特征在于采用光电探测器绝对光谱响应校准装置，所述光电探测器绝对光谱响应校准装置设有光栅光谱仪、光电采集电路、计算机、待测光电探测器、标准光谱辐照度探头、圆形套筒、平行光会聚透镜组、LED光源、LED温控夹具和LED稳流源；所述光电采集电路的输入端接光栅光谱仪的输出端，所述光电采集电路的输出端接计算机的输入端口；LED光源固定在LED温控夹具上，所述平行光会聚透镜组设在LED光源的前方并固定在圆形套筒上，待测光电探测器或标准光谱辐照度探头固定在圆形套筒内，待测光电探测器的光敏面积上的辐照度与标准光谱福照度探头探测到的辐照度一致；LED光源与LED稳流源连接；

所述校准方法，包括以下步骤：

1)测量出待测光电探测器的相对光谱响应，得到待测光电探测器的相对光谱响应曲线；

2)把标准光谱辐照度探头和LED光源固定在圆形套筒里，点亮LED和开启LED温控夹具，待温度稳定后测出不同电流下LED的光谱辐照度分布；

3)把标准光谱辐照度探头卸掉，将待测光电探测器通过底座固定在圆形套筒中，使其感光处和原来标准光谱辐照度探头处于同一位置；

4)待测光电探测器的响应电流经带有精密电流表的光电采集电路采集不同波长光照下的响应电流值，并送给计算机处理；

5)已知相对光谱响应和待测光电探测器在LED光源的照射下的响应电流可以计算出待测光电探测器的绝对光谱响应度，最终绘出响应度-波长曲线即为待测光电探测器的绝对光谱响应曲线并计算相应波长下的外量子效率。