CN105258798B - 光电探测器光谱响应测试系统及其测量方法 - Google Patents
光电探测器光谱响应测试系统及其测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
光电探测器光谱响应测试系统及其测量方法，属于光学辐射定标测量仪器及方法，解决现有测试系统成本昂贵且难以保证测量精度的问题，以实现光谱响应的高精度测量。本发明的测试系统，包括正弦调制光源、聚光透镜、单色仪、滤光片轮、暗箱、电机驱动电路，微控制器控制电路、前置放大电路、正弦锁相放大电路、数据采集卡和计算机，所述正弦调制光源为正弦调制的白炽灯、卤钨灯或LED光源。本发明使用正弦调制光源，采用可编程器件实现正弦锁相放大的方式，测量并绘制在300～900nm范围内的光电探测器光谱响应，实现高精度测量的同时，降低了设备成本和设计难度。
Description
技术领域
本发明属于光学辐射定标测量仪器及方法，尤其涉及一种光电探测器光谱响应测试系统及其测量方法。
背景技术
光谱响应是光电探测器的主要性能参数，通过测试此参数，对实际的光电系统设计以及光电探测器器件制备工艺的提高与改进等都具有十分重要的意义。
公开(公告)号CN102305905A的中国发明专利，提供一种宽光谱光电测试系统，采用稳定的宽光谱光源测量光谱响应度，测量光谱响应度时，由于经过光电转换之后，电信号为直流量，光电探测器的背景噪声和电路随机噪声混入其中难以消除，会导致测量的误差。为了提高测量精度，提出了相干检测的方式，采用调制光源(斩波器调制成方波)的方式，配合锁相放大器进行检测，可以在很大程度上消除背景噪声和电路随机噪声，提高系统的测量精度。
常用的斩波器调制方式(外调制成方波信号)，需要配套购买昂贵的锁相放大器，而且方波或三角波等除了基波外还含有无数高次谐波，任意的电信号传送和处理通路都具备一定的分布电容、电感或干扰，即使是理想的方波或三角波经过电路传送后也只能获得近似的方波或三角波。如此常用的斩波调制方式由于信号失真的影响，也会产生一定的误差。
发明内容
本发明提供一种光电探测器光谱响应测试系统，同时提供其测量方法，解决现有测试系统成本昂贵且难以保证测量精度的问题，以实现光谱响应的高精度测量。
本发明所提供的一种光电探测器光谱响应测试系统，包括正弦调制光源、聚光透镜、单色仪、滤光片轮、暗箱、电机驱动电路，微控制器控制电路、前置放大电路、数据采集卡和计算机；
所述暗箱内装设有准直光学系统、分光镜、第一电动转台和第二电动转台，第一电动转台上安装有标准Si光电探测器，第二电动转台上安装有参考Si光电探测器，
正弦调制光源发出的光经过聚光透镜，进入单色仪进行分光，经滤光片轮滤除高阶光谱，输出单色光进入暗箱，再经准直光学系统准直为平行光，投射到分光镜上，进行1：1分光，透射光被标准Si光电探测器，反射光被参考Si光电探测器接收；标准Si光电探测器输出电信号和参考Si光电探测器输出电信号通过前置放大电路放大，经过正弦锁相放大器放大并输出测量的直流量，之后由数据采集卡送至计算机进行数据处理；计算机加载有单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，计算机通过电机控制模块向微控制器控制电路发送指令，控制电机驱动电路驱动第一电动转台和第二电动转台，通过单色仪控制模块、滤光片轮控制模块和数据采集模块完成单色仪控制、滤光片轮控制和数据采集功能；
其特征在于：
所述正弦调制光源为正弦调制的白炽灯、卤钨灯或LED光源；
所述前置放大电路和数据采集卡之间串连有正弦锁相放大电路，正弦锁相放大电路输入端连接前置放大电路，正弦锁相放大电路输出端连接数据采集卡，正弦锁相放大电路将前置放大电路输出的正弦信号进行锁相放大并输出直流量，由数据采集卡送至计算机进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度。
所述的光电探测器光谱响应测试系统，其进一步特征在于：
所述分光镜为点格分光镜，光谱范围为300～900nm波段；
所述微控制器控制电路由微型计算机芯片及其外围电路组成，负责与计算机进行串口通信，接收计算机发出的指令，控制电机驱动电路和前置放大电路；
所述正弦锁相放大电路由AD转换电路、主体电路和DA转换电路依次串联构成，其中主体电路包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第六乘法器、第七乘法器、加法器和开方电路；
所述第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器依次串联，正弦调制信号输入第一乘法器，数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号送入第三乘法器相乘，相乘结果送入第二乘法器，形成闭环反馈锁相环电路；由数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号；
数控振荡器输出的正弦信号与输入调制信号在第五乘法器相乘，乘积进入第三低通滤波器，滤波结果进入第七乘法器进行平方运算；数控振荡器输出的余弦信号与输入调制信号在第四乘法器相乘，乘积进入第二低通滤波器，滤波结果进入第六乘法器进行平方运算；第六乘法器和第七乘法器的两路平方运算结果，进入加法器求和，求和值送入开方电路进行开方运算，开方运算结果为正弦锁相放大电路的最终输出。
本发明用于测量光谱响应度的过程为：
在第一电动转台上放入待测光电探测器；启动计算机的单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，设置单色仪输出波长范围λ1～λj和波长间隔Δλ；完成上述操作后，所得到的待测光电探测器数据，经正弦锁相放大处理之后，由数据采集卡送至计算机进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度；计算完成后，可通过计算机对得到的数据进行浏览、绘图、打印等处理。
本发明中对正弦响应信号进行锁相放大的过程为：
在第一电动转台上放入待测光电探测器；启动计算机的单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块、数据采集模块和测试功能模块，通过单色仪控制模块，控制单色仪输出待测光电探测器工作波长λ，光源的光为正弦调制光，探测器的响应电流信号为正弦信号，经过前置放大电路，进入正弦锁相放大器，锁相运算得到正比于正弦幅值的直流信号；直流信号被数据采集卡采集送入PC机计算响应度；
所述光电探测器光谱响应测试系统的测量方法，依次包括下述步骤：
A.驱动第一、第二电动转台：
将待测光电探测器放置在第一电动转台上，向微控制器控制电路发出指令，微控制器控制电路控制电机驱动电路驱动第一电动转台和第二电动转台，使得标准Si光电探测器的光轴和参考Si光电探测器的光轴互相垂直；
B.输出光波：控制滤光片轮控制模块，使滤光片轮转到所需测试的起始波长λ1和截止波长λj所限定的波长范围内，300nm≤λ1＜λj≤900nm，以波长间隔Δλ控制单色仪依次输出波长λi的光波，i＝1,…,j；Δλ＝5nm或10nm；
C.采集I标(λi)和I参(λi)：控制数据采集模块，使前置放大电路、正弦锁相放大电路、数据采集卡对标准Si光电探测器输出的波长-电流信号I标(λi)和参考Si光电探测器的输出波长-电流信号I参(λi)依次进行采集；
D.判断I标(λi)和I参(λi)是否超过量程：判断I标(λi)和I参(λi)大小是否超过量程，是则进行步骤E，否则进行步骤F；
E.数据采集放大电路换档：控制前置放大电路进行换档，转步骤C；
F.存储I标(λi)和I参(λi)：将采集的I标(λi)和I参(λi)传输到计算机存储，转步骤C,直至达到截止波长λj；
G.驱动第一电动转台：向微控制器控制电路发出指令，由微控制器控制电路控制电机驱动电路驱动第一电动转台，使得待测光电探测器的光轴对准分光镜的透射光；
H.输出光波：以波长间隔Δλ控制单色仪依次输出波长λi的光波，i＝1,…,j；Δλ＝5nm或10nm；
I.采集I待(λi)和I′参(λi)：待测光电探测器和参考光电探测器的正弦响应信号，经由前置放大电路、锁相放大电路输出，分别成为I待(λi)和I′参(λi)，控制数据采集模块，使数据采集卡对待测光电探测器输出的波长-电流信号I待(λi)和参考光电探测器的第二轮输出波长-电流信号I′参(λi)依次进行采集；
J.判断I待(λi)和I′参(λi)是否超过量程：判断采集到的I待(λi)和I′参(λi)大小是否超过量程，是则进行步骤K，否则进行步骤L；
K.数据采集放大电路换档：向微控制器控制电路发送指令，控制前置放大电路进行换档，转步骤I；
L.存储I待(λi)和I′参(λi)：将采集的I待(λi)和I′参(λi)传输到计算机存储，转步骤I，直至达到截止波长λj；
M.计算光谱响应度：计算待测光电探测器对每个波长的光谱响应度R待(λi)：
式中，R标(λi)为已知的标准光电探测器对λi的响应度，S待为待测光电探测器光敏面面积，S标为标准光电探测器光敏面面积，i＝1,…,j；
依据R待(λi)，绘制出待测光电探测器在整个测量波段的光谱响应曲线。
正弦波只含有一种频率成分，形式简单，便于产生和接收，正弦曲线保真度是其他信号所不具有的性质：一个正弦信号输入后，输出依旧为正弦曲线，只有幅度和相位可能变化，但频率和波的形状仍然是完全一样，没有畸变。相比于其他调制波形，正弦波可以无失真或畸变的通过电路，可以避免信号的电路传输处理误差，从而获得更高的测量精度。
与现有光谱响应度测量系统相比，本发明使用正弦调制光源，充分利用了正弦信号的保真特性，避免了多谐波(方波等)信号在传输和处理过程中的信号畸变，分光采用点格分光镜，将探测器响应的模拟信号经AD转换，在数字域进行正弦锁相放大，消除测量背景噪声和调制波形畸变带来的影响，准确测量正弦信号幅值，再经DA转换，采集数据到计算机计算光谱响应，提高光谱响应测量精度的同时，降低了设备成本和设计难度。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的正弦锁相放大器的框图；
图3是本发明的正弦锁相放大器的内部结构图；
图4是使用本发明的工作流程图；
图5是本发明测试方法流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括正弦调制光源1、聚光透镜2、单色仪3、滤光片轮4、暗箱12、电机驱动电路13、微控制器控制电路14、前置放大电路15、数据采集卡17和计算机18；
所述暗箱12内装设有准直光学系统5、分光镜6、第一电动转台10和第二电动转台11，第一电动转台10上安装有标准Si光电探测器7，第二电动转台11上安装有参考Si光电探测器9；
正弦调制光源1发出的光经过聚光透镜2，进入单色仪3进行分光，经滤光片轮4滤除高阶光谱，输出单色光进入暗箱12，再经准直光学系统5准直为平行光，投射到分光镜6上，进行1：1分光，透射光被标准Si光电探测器7接收，反射光被参考Si光电探测器9接收；标准Si光电探测器7输出电信号和参考Si光电探测器9输出电信号通过前置放大电路15放大，经过正弦锁相放大器16放大并输出测量的直流量，之后由数据采集卡17送至计算机18进行数据处理；计算机18加载有单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，计算机18通过电机控制模块向微控制器控制电路14发送指令，控制电机驱动电路13驱动第一电动转台10和第二电动转台11，通过单色仪控制模块、滤光片轮控制模块和数据采集模块完成单色仪控制、滤光片轮控制和数据采集功能；
所述前置放大电路15和数据采集卡17之间串连有正弦锁相放大电路16，正弦锁相放大电路16输入端连接前置放大电路15，正弦锁相放大电路16输出端连接数据采集卡，正弦锁相放大电路将前置放大电路15输出的正弦信号进行锁相放大并输出直流量，由数据采集卡17送至计算机18进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度。
如图2所示，所述正弦锁相放大电路16由AD转换电路、主体电路和DA转换电路依次串联构成，如图3所示，所述主体电路包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第六乘法器、第七乘法器、加法器和开方电路；
所述第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器依次串联，正弦调制信号输入第一乘法器，数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号送入第三乘法器相乘，相乘结果送入第二乘法器，形成闭环反馈锁相环电路；由数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号；
数控振荡器输出的正弦信号与输入调制信号在第五乘法器相乘，乘积进入第三低通滤波器，滤波结果进入第七乘法器进行平方运算；数控振荡器输出的余弦信号与输入调制信号在第四乘法器相乘，乘积进入第二低通滤波器，滤波结果进入第六乘法器进行平方运算；第六乘法器和第七乘法器的两路平方运算结果，进入加法器求和，求和值送入开方电路进行开方运算，开方运算结果为正弦锁相放大电路的最终输出。
作为一个实施例，在本发明中：
正弦调制光源1采用500W的照明白炽灯；
聚光透镜2为直径13cm的凸透镜；
单色仪3采用北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-λ5007型单色仪；
滤光片轮4采用北京卓立汉光仪器有限公司型号为SD-IR3的六档滤光片轮；
暗箱12采用北京卓立汉光仪器有限公司型号为DZDarkBox-DR01的暗箱；
准直光学系统5采用焦距为100～150mm的透镜组；
分光镜6采用爱特蒙特光学(深圳)有限公司的BS POLKA-DOT25.4MMDIA点格分光镜，光谱范围为300～900nm波段。
第一电动转台10、第二电动转台11采用北京微纳光科仪器有限公司的WN02RA100M电动旋转台；
标准Si光电探测器7采用北京卓立汉光仪器有限公司型号为DZDSi200-DR01的硅光电探测器；
参考Si光电探测器9采用北京卓立汉光仪器有限公司型号为DZDSi200-DR01的硅光电探测器；
电机驱动电路13由电机驱动专用芯片TA8435H加上相应的外围电路构成；
所述微控制器控制电路14由微型计算机芯片STC89C52RD及其外围电路组成；
前置放大电路15采用美国国家半导体公司的LM393D运算放大器，配合OmRon公司的G5V-2-HE继电器组成，放大档位可选，一档为100Ω，二档为10KΩ，三档为1MΩ，可将nA～mA级的电流转换为mV～V电压供后级处理；
所述正弦锁相放大电路16中的主体电路采用全数字方式在可编程器件中实现，采用ALTERA公司搭载Cyclone IV E可编程器件的DE2-115FPGA开发平台进行设计，CycloneIV E可编程器件配AD/DA子卡后构成正弦锁相放大电路16；
数据采集卡17采用北京星烁华创科技有限公司的FCFR-USB2066数据采集卡；
计算机18采用Pentium(R)Dual-core E5300处理器，使用WindowsXP系统；
本发明的工作总流程图如图4所示，打开系统开关，系统复位进行初始化；进行硬件设置与调试：计算机18向微控制器控制电路14发送指令，控制电机驱动电路13驱动第一电动转台10，使标准Si光电探测器7与分光镜透射光对准，将标准Si光电探测器7此时所在位置P1保存入计算机；驱动第一电动转台10，使待测Si光电探测器与分光镜透射光对准，将待测光电探测器此时所在位置P2保存入计算机；驱动第二电动转台11，使参考Si光电探测器9与分光镜反射光对准，将Si参考光电探测器9此时所在位置P3保存入计算机；选择光谱响应度测试：光谱响应度测试则需设置波长范围、波长间隔、测量方法、选择探测器；然后进入光谱响应度测试模块，系统开始自动进行测试；测试完成后将数据输送到计算机进行浏览、绘图、打印等处理。
如图5所示，利用所述光电探测器光谱响应测试系统的测量方法，依次包括下述步骤：
A.驱动第一、第二电动转台：
B.输出光波：
C.采集I标(λi)和I参(λi)：
D.判断I标(λi)和I参(λi)是否超过量程：
E.数据采集放大电路换档：
F.存储I标(λi)和I参(λi)：
G.驱动第一电动转台：
H.输出光波：
I.采集I待(λi)和I′参(λi)：
J.判断I待(λi)和I′参(λi)是否超过量程；
K.数据采集放大电路换档；
L.存储I待(λi)和I′参(λi)；
M.计算光谱响应度。
Claims (3)
1.一种光电探测器光谱响应测试系统，包括正弦调制光源(1)、聚光透镜(2)、单色仪(3)、滤光片轮(4)、暗箱(12)、电机驱动电路(13)、微控制器控制电路(14)、前置放大电路(15)、数据采集卡(17)和计算机(18)；
所述暗箱(12)内装设有准直光学系统(5)、分光镜(6)、第一电动转台(10)和第二电动转台(11)，第一电动转台(10)上安装有标准Si光电探测器(7)，第二电动转台(11)上安装有参考Si光电探测器(9)；
正弦调制光源(1)发出的光经过聚光透镜(2)，进入单色仪(3)进行分光，经滤光片轮(4)滤除高阶光谱，输出单色光进入暗箱(12)，再经准直光学系统(5)准直为平行光，投射到分光镜(6)上，进行1：1分光，透射光被标准Si光电探测器(7)接收，反射光被参考Si光电探测器(9)接收；标准Si光电探测器(7)输出电信号和参考Si光电探测器(9)输出电信号通过前置放大电路(15)放大，经过正弦锁相放大器(16)放大并输出测量的直流量，之后由数据采集卡(17)送至计算机(18)进行数据处理；计算机(18)加载有单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，计算机(18)通过电机控制模块向微控制器控制电路(14)发送指令，控制电机驱动电路(13)驱动第一电动转台(10)和第二电动转台(11)，通过单色仪控制模块、滤光片轮控制模块和数据采集模块完成单色仪控制、滤光片轮控制和数据采集功能；
所述正弦调制光源(1)为正弦调制的白炽灯、卤钨灯或LED光源；
所述前置放大电路(15)和数据采集卡(17)之间串连有正弦锁相放大电路(16)，正弦锁相放大电路输入端连接前置放大电路(15)，正弦锁相放大电路输出端连接数据采集卡(17)，正弦锁相放大电路将前置放大电路(15)输出的正弦信号进行锁相放大并输出直流量，由数据采集卡(17)送至计算机(18)进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度；
其特征在于：
所述分光镜(6)为点格分光镜，光谱范围为300～900nm波段；
所述微控制器控制电路(14)由微型计算机芯片及其外围电路组成，负责与计算机进行串口通信，接收计算机发出的指令，控制电机驱动电路和前置放大电路；
所述正弦锁相放大电路(16)由AD转换电路、主体电路和DA转换电路依次串联构成，其中主体电路包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第六乘法器、第七乘法器、加法器和开方电路；
所述第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器依次串联，正弦调制信号输入第一乘法器，数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号送入第三乘法器相乘，相乘结果送入第二乘法器，形成闭环反馈锁相环电路；由数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号；
数控振荡器输出的正弦信号与输入调制信号在第五乘法器相乘，乘积进入第三低通滤波器，滤波结果进入第七乘法器进行平方运算；数控振荡器输出的余弦信号与输入调制信号在第四乘法器相乘，乘积进入第二低通滤波器，滤波结果进入第六乘法器进行平方运算；第六乘法器和第七乘法器的两路平方运算结果，进入加法器求和，求和值送入开方电路进行开方运算，开方运算结果为正弦锁相放大电路的最终输出。
2.如权利要求1所述的光电探测器光谱响应测试系统，其特征在于：
所述正弦锁相放大电路中的主体电路采用全数字方式在可编程器件中实现。
3.一种采用权利要求1或2所述光电探测器光谱响应测试系统的测量方法，依次包括下述步骤：
A.驱动第一、第二电动转台：
将待测光电探测器(8)放置在第一电动转台(10)上，向微控制器控制电路(14)发出指令，微控制器控制电路控制电机驱动电路(13)驱动第一电动转台(10)和第二电动转台(11)，使得标准Si光电探测器(7)的光轴和参考Si光电探测器(9)的光轴互相垂直；
B.输出光波：控制滤光片轮控制模块，使滤光片轮(4)转到所需测试的起始波长λ1和截止波长λj所限定的波长范围内，300nm≤λ1＜λj≤900nm，以波长间隔Δλ控制单色仪(3)依次输出波长λi的光波，i＝1,…,j；Δλ＝5nm或10nm；
C.采集I标(λi)和I参(λi)：控制数据采集模块，使前置放大电路(15)、正弦锁相放大电路(16)、数据采集卡(17)对标准Si光电探测器(7)输出的波长-电流信号I标(λi)和参考Si光电探测器(9)的输出波长-电流信号I参(λi)依次进行采集；
D.判断I标(λi)和I参(λi)是否超过量程：判断I标(λi)和I参(λi)大小是否超过量程，是则进行步骤E，否则进行步骤F；
E.数据采集放大电路换档：控制前置放大电路(15)进行换档，转步骤C；
F.存储I标(λi)和I参(λi)：将采集的I标(λi)和I参(λi)传输到计算机存储，转步骤C,直至达到截止波长λj；
G.驱动第一电动转台：向微控制器控制电路发出指令，由微控制器控制电路控制电机驱动电路(13)驱动第一电动转台(10)，使得待测光电探测器的光轴对准分光镜(6)的透射光；
H.输出光波：以波长间隔Δλ控制单色仪(3)依次输出波长λi的光波，i＝1,…,j；Δλ＝5nm或10nm；
I.采集I待(λi)和I′参(λi)：待测光电探测器(8)和参考光电探测器(9)的正弦响应信号，经由前置放大电路(15)、正弦锁相放大电路(16)输出，分别成为I待(λi)和I′参(λi)，控制数据采集模块，使数据采集卡(17)对待测光电探测器(8)输出的波长-电流信号I待(λi)和参考光电探测器(9)的第二轮输出波长-电流信号I′参(λi)依次进行采集；
J.判断I待(λi)和I′参(λi)是否超过量程：判断采集到的I待(λi)和I′参(λi)大小是否超过量程，是则进行步骤K，否则进行步骤L；
K.数据采集放大电路换档：向微控制器控制电路发送指令，控制前置放大电路(15)进行换档，转步骤I；
L.存储I待(λi)和I′参(λi)：将采集的I待(λi)和I′参(λi)传输到计算机存储，转步骤I，直至达到截止波长λj；
M.计算光谱响应度：计算待测光电探测器对每个波长的光谱响应度R待(λi)：
式中，R标(λi)为已知的标准光电探测器对λi的响应度，S待为待测光电探测器光敏面面积，S标为标准光电探测器光敏面面积，i＝1,…,j；
依据R待(λi)，绘制出待测光电探测器在整个测量波段的光谱响应曲线。
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