CN115235621A - 一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法及装置，所述方法的步骤包括：构建第一测量系统和第二测量系统，基于第一测量系统首先得到暗计数率参数，进一步调节第一测量系统得到标准计数率参数；基于第二测量系统得到初始光照度，再次调节第二测量系统得到第一光照度、第二光照度，基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例；根据第一测量系统得到第三光照度，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算照射光照度，基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度。

Description

一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法及装置

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，尤其涉及一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法及装置。

背景技术

光子计数探测器是一种检测微弱光信号的仪器，能够对入射光子产生的光电子脉冲信号进行放大、甄别和数字计数，在荧光探测、天文观测、高能物理、生物医学等许多领域有着广泛的应用。传统的光电探测是对大量光子积分后的测量结果，而光子计数探测器是对单个光子进行分辨探测。因此，光子计数探测器较传统探测方法而言，具有灵敏度高、信噪比高、动态范围宽、抗漂移性好等优点。其中，光子计数探测器的灵敏度常用计数灵敏度来表示，指的是当某一强度(W或W/m²)的光入射时，光子计数探测器输出的有效计数率值。

当光子计数探测器应用于入射光是复合光的测量时，为了准确评价光子计数探测器在该种应用下的灵敏度，或者比较多个光子计数探测器在复合光应用下的灵敏度大小，就需要在复合光下对光子计数探测器进行灵敏度校准。光度灵敏度就是光子计数探测器应用于光度测量时用来衡量其探测能力的重要技术指标。光度测量是以人眼视觉函数对光进行定量评价的测量方式，该应用下的光通常是复合光，覆盖波长范围380~780nm，即人眼可感知的可见光。由于此时的入射光包含了380~780nm各个波长的光子，因而通过计数率值无法得到入射光的强度。在光度学中，描述光的功率的物理量称为光通量，单位流明(lm)，描述接收面单位面积里的光通量的物理量称为照度，单位勒克斯(lx)。因此，光度灵敏度指的是当某一光通量或照度的光入射时，光子计数探测器输出的有效计数率值。

因此，当测量光子计数探测器的有效计数率值时，光子计数探测器输出的计数率值参数和此时获得光通量参数，但是，由于光子计数探测器所需要的光非常微弱，当光非常微弱时，会低于测量光通量的标准光度计的量程下限而导致难以直接测得，则计数率值参数和光通量难以同时获得，现有技术难以对光子计数探测器的光度灵敏度进行测量。

发明内容

鉴于此，本发明的实施例提供了一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的一个方面提供了一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法，所述方法的步骤包括：

利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器在不启动所述第一测量系统的光源的情况下进行参数测量，测得的参数作为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源、第一减光装置和第二减光装置；

利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器在以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源、以第一预设参数启动第一减光装置、以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为标准计数率参数；

利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计，在以第一标定值的电压启动光源，以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为初始光照度，第三预设参数对应第二减光装置的最小减光程度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源和第二减光装置；

利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计，在以第二标定值的电压启动光源、以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第一光照度，所述第二标定值大于第一标定值；在保持光源电压为第二标定值不变，在以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第二光照度，基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例；

利用连接在第一测量系统的输出端的标准光度计，在以第一预设参数启动第一减光装置、以第三预设参数启动第二减光装置、以第二标定值的电压启动光源的情况下进行参数测量，测得的参数作为第三光照度，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例；

基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度；

基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度。

采用上述方案，本方案首先采用第一减光装置、第二减光装置的两次减光以保证光子计数探测器接收到足够弱的光，且通过两次减光能够便于后续对于第一减光比例和第二减光比例的测量，避免采用一次减光，减光过大导致参数难以测量，进一步，本申请通过第一减光比例和第二减光比例的测量计算出光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，解决了光子计数探测器输出标准计数率参数时，光照度参数过小难以直接测定的问题，即本申请能够同时获得用于计算光度灵敏度的计数率值参数和光通量，精准计算光子计数探测器的光度灵敏度。

在本发明的一些实施方式中，所述第一减光装置、第二减光装置均可以为可调光阑或减光片等。

在本发明的一些实施方式中，第二减光装置为在输入端设置可调光阑的积分球。

在本发明的一些实施方式中，所述基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例的步骤包括，基于如下公式计算所述第一减光比例：

其中，

表示第二光照度，

表示第一光照度，

表示第一减光比例。

在本发明的一些实施方式中，所述基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例的步骤包括，根据如下公式计算第二减光比例：

其中，

表示第三光照度，

表示第一光照度，

表示第二减光比例。

在本发明的一些实施方式中，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度的步骤包括，根据如下公式计算照射光照度：

其中，

表示第一减光比例，

表示第二减光比例，

表示初始光照度，

表示照射光照度。

在本发明的一些实施方式中，所述基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度的步骤包括，根据如下公式计算光度灵敏度：

其中，

表示光度灵敏度，

表示标准计数率参数，

表示暗计数率参数，

表示照射光照度，

表示光子计数探测器的有效光接收面的面积。

在本发明的一些实施方式中，所述基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度的步骤包括，根据如下公式计算光度灵敏度：

其中，

表示光度灵敏度，

表示标准计数率参数，

表示暗计数率参数，

表示照射光照度，

表示光子计数探测器的有效光接收面面积的半径。

在本发明的一些实施方式中，所述第一减光装置为变向减光装置，所述变向减光装置包括遮光暗箱、旋转台、固定台和两个连接端口，两个所述连接端口分别用于连接输入光纤和输出光纤；

所述旋转台设置在遮光暗箱内部，所述旋转台通过内部的旋转轴进行转动，两个所述连接端口其中之一固定在旋转台上，且连接端口内部光通路的延长线在旋转台上表面的俯视平面上，通过旋转台上表面的重心；

所述固定台的高度与旋转台的高度相等，两个所述连接端口的另一个固定在固定台上，且固定在固定台上的连接端口的一端，在旋转台上表面的俯视平面上，由固定台延伸至旋转台上表面的重心，且连接端口内部光通路延伸至旋转台上表面的重心；

两个所述连接端口的光通路均平行于旋转台上表面所在平面，且与旋转台上表面所在平面的距离相等，旋转所述旋转台能够改变两个所述连接端口的光通路的延长线在旋转台上表面的俯视平面上的角度。

在本发明的一些实施方式中，在旋转台上表面的俯视平面，连接于旋转台的连接端口的其中一端向旋转台上表面的重心位置延伸。

在本发明的一些实施方式中，所述遮光暗箱的其中两个侧面各设置有一个通孔，所述通孔用于光纤穿过，两个光纤分别于两个连接端口相连接。

本发明的另一方面还提供一种光子计数探测器光度灵敏度校准装置，该装置包括光源、第一减光装置和第二减光装置，

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器，将在不启动所述第一测量系统的光源的情况下的光子计数探测器的参数为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源、第一减光装置和第二减光装置；

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器，以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源，以第一预设参数启动第一减光装置，以第二预设参数启动第二减光装置，获取光子计数探测器的参数为标准计数率参数；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计，以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计的参数为初始光照度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源和第二减光装置；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计，以第二标定值的电压启动所述第一测量系统的光源、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计的参数为第一光照度；在保持光源电压为第二标定值不变，以第二预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计的参数为第二光照度；

在第一测量系统的输出端连接标准光度计，以第一预设参数启动第一减光装置、以第三预设参数启动第二减光装置、以第二标定值的电压启动光源，此时标准光度计输出的参数作为第三光照度；

所述装置还包括处理设备，所述处理设备接收第一光照度、第二光照度、第三光照度、初始光照度、标准计数率参数和暗计数率参数，所述处理设备用于基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度，再基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明光子计数探测器光度灵敏度校准方法一种实施方式的示意图；

图2为第一测量系统的输出端连接光子计数探测器的结构示意图；

图3为第二测量系统的输出端连接标准光度计的结构示意图；

图4为第一测量系统的输出端连接标准光度计的结构示意图；

图5为变向减光装置的结构示意图；

图6为现有技术一的结构示意图；

图7为现有技术二的结构示意图；

图8为现有技术三的结构示意图。

附图标记说明

1、光源；2、光纤；3、第一减光装置；4、可调光阑；5、积分球；6、标准光度计；7、光子计数探测器；8、计算机；31、遮光暗箱；32、旋转台；33、连接端口；34、通孔；35、固定台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

在具体实施过程中，现有技术计算光子计数探测器的光度灵敏度，光度灵敏度S_v指的是当某一光通量

或照度E_v (lx)的光入射时，光子计数探测器输出的有效计数率值Re(s^-1)，即

S_v = Re/

(s^-1/lm) 或 Re/E_v (s^-1/lx)

从定义可以看出，要对光子计数探测器的光度灵敏度进行校准，就需要准确测量入射到光子计数探测器接收面的光通量或照度。

光子计数探测器的计数率自身可以读出，关键在于如何准确测量出入射到光子计数探测器的光照强度。

光子计数探测器正常工作所需的光照强度很弱，市场上现有的仪器难以直接测量出这么微弱的光照强度，所以需要减光，用现有的仪器测量减光前的强度，再测定减光的比例，就可以算出减光后的强度。这又引出了两个问题：中性减光和定量测定减光比例。

1.如果不约定统一的光源，不同光源下测定的结果不具有可比性，所以光度测量领域有几种常用的标准光源，其中标准A光源是目前应用最为广泛的。既然要在标准A光源下测量入射到光子计数探测器的光照强度，这意味着减光尽量不要改变光谱分布，即在减光的过程中各个波长处的减光比例应一样或很接近一样，也就是中性减光，所以，本发明的技术关键点之一就是中性减光，本发明中采用的三种减光方法都是中性减光的方法。

2.光子计数探测器所需要的光很弱，要将常规光源进行大倍率减光才行。但减光比例过大，很容易超出现有仪器的动态范围，要想精确测定又是件不容易的事。所以，本发明中把大倍率减光拆分成多级减光，每一级去单独测定减光比例，最后计算出整体的减光比例。本发明每一级减光比例均在可测范围内，并可现场独立测定。

现有技术介绍：

现有技术一

现有技术一对光子计数探测器的计数灵敏度进行测试和评价的方法主要是在单色光下进行，由于是单色光因而在实现微弱光时不需要考虑各个波长处的减光比例不一致的问题，即不要求中性减光，只要减光比例合适即可，这在减光方式上，尤其是在超大倍率减光时极大降低了测试的难度。

如图6所示，现有技术一的装置包括光源、单色仪、减光系统、光功率计和探测系统，通过单色仪色散输出单色光，用光功率计测量其强度，经减光系统减光后入射至探测系统，根据其输出信号强度或计数值结合减光比例计算出该单色光波长处的辐射或计数灵敏度。

现有技术一的缺点：

现有技术一实际有效的测量光源是单色光，即单色仪输出的光，因此其测试得到的计数灵敏度本质上是光谱灵敏度，即某个波长处的灵敏度，与本方案本质不同。如果采用现有技术来测量光子计数探测器的光度灵敏度，就需要改变单色光的波长，在380~780nm范围内以一定波长间隔逐波长测量光谱灵敏度，再结合所约定的光源光谱分布进行积分计算，测量过程较为复杂，时间较长。若用其它单色光源如激光作为光源，则还有所需各波长激光过多、波长不连续等问题；

现有技术中一采用的减光系统为减光片组和偏振片组，多个组别减光的主要缺点是减光不连续；另外还有减光比例可能不相同的问题，即不同波长处的减光比例是不一样的。偏振片法减光本身具有减光不中性的特点，而减光片法即使优选采用中性滤光片，在光子计数探测器所需的微弱光水平，通常需要大倍率减光，中性滤光片在大倍率减光时非中性较明显。这意味着现有技术一在测试各单色光时若采用统一的减光比例会存在误差，除非事先测定各减光片组和偏振片组在各个波长处的减光比例，但这样的操作过于复杂。

现有技术二

现有技术二测试计数灵敏度的一致性，并不定量测量计数灵敏度的大小。现有技术二采用激光二极管单色光源，通过使用旋转光源和光分路器照射至多个光子计数器，测试评价出该批次光子计数器的计数灵敏度比值。

现有技术二的结构如图7所示。

现有技术二的缺点：

现有技术二采用的是激光二极管单色光源，实际测试的也是光谱灵敏度。而且测试中不对光子计数器的入射光强度标定，只是比较两个及以上的光子计数探测器的光谱灵敏度相对比值，评价它们灵敏度的一致性，并不能定量测量光子计数探测器的计数灵敏度，不能实际测出光子计数探测器的计数灵敏度。

现有技术三

现有技术三涉及光子计数器本底计数、检测范围和线性度标定。

现有技术三的结构如图8所示，顺序连接标准光源、遮光筒、光子计数器、计数单元和上位机系统，标准光源和遮光筒之间采用光纤光路连接，在标定线性计数率时，调节标准光源出口强度，由标准光源所包含的强度探测器和出口强度显示仪表来读取当前出口光强，通过上位机软件记录对应光强下的光子计数器的计数值，最后对不同光强下的计数值数据进行拟合校正。

现有技术三的缺点：

现有技术三测量了某个光照强度下的光子计数器计数值，看似也可以完成对光子计数器计数灵敏度的定量校准。然而，需要注意的是，虽然现有技术三中含有标准光源，但标准光源出口光强并不是照射至光子计数器的光强。因为在系统结构上是光纤光路连接标准光源和遮光筒，而光子计数器与遮光筒相连，这意味着标准光源出口的光还需经过光纤光路才会到达光子计数器。因此，现有技术三实际上也没有定量测量照射至光子计数器的光强度，因为光纤光路对光的衰减并不可知，方案中也未测量。它只是在光纤光路对光衰减比例不变的情况下，利用标准光源出口光强来表征照射至光子计数器的相对光强度，以此完成对光子计数器的线性度标定，因此，现有技术三忽略了光纤光路对光的衰减，与本方案通过减光比例定量可测的方式，精准度相差较大。

为解决以上问题，本发明提出一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法，所述方法的步骤包括：

如图1、2所示，步骤S100，利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器7在不启动所述第一测量系统的光源的情况下进行参数测量，测得的参数作为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源1、第一减光装置3和第二减光装置；

在本发明的一些实施方式中，光源1、第一减光装置3和第二减光装置三者之间采用光纤2进行连接。

在本发明的一些实施方式中，所述光源1采用色温2856K的标准A光源1，所述第一减光装置3、第二减光装置均可以为变向减光装置、中性减光片、偏振片、积分球5或可变光阑等。

所述光子计数探测器7可以为日本滨松型号为C13796的光子计数探测器7。

在具体获取暗计数率参数的过程中，在将光子计数探测器7与安装测量软件的计算机8相连接，打开光子计数探测器7电源，预热15分钟，在计算机8测量软件上读取15分钟内，光子计数探测器7的平均暗计数率。

在平均暗计数率的统计过程中，可以为每1s、5s或10s读取一次光子计数探测器7的参数，再计算15分钟的平均值，得到平均暗计数率作为暗计数率参数。

采用上述方案，本方案明确光源1，在复合光下进行校准，不同的光源1，其相对光谱功率分布不同，即使光通量或照度相同，但入射光里所含的光子数可以是不同的。因此仅测量入射到光子计数探测器7接收面的光通量或照度仍然不够，必须注明是在何种光源1下的校准结果。为了在统一的光源1下进行测量和评价，本方案在色温2856K的标准A光源1下进行评价。

步骤S200，利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器7在以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源1、以第一预设参数启动第一减光装置3、以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为标准计数率参数；

在本发明的一些实施方式中，若所述光源1采用色温2856K的标准A光源1，则所述第一标定值为光源1输出的光的色温为2856K时接入的电压值。

在此步骤中，记录第一预设参数和第二预设参数，若第一减光装置3为变向减光装置，则第一预设参数为变向减光装置中旋转台32的转向角度，若第二减光装置为输入端设置可调光阑4的积分球5，则第二预设参数为可调光阑4的孔位。

如图3所示，步骤S300，利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计6，在以第一标定值的电压启动光源1、以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为初始光照度，第三预设参数对应第二减光装置的最小减光程度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源1和第二减光装置；

在本发明的一些实施方式中，所述第三预设参数对应第二减光装置的最小减光程度对应的孔位，即将可变光阑调至最大。

步骤S400，利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计6，在以第二标定值的电压启动光源1、以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第一光照度，所述第二标定值大于第一标定值；在保持光源1电压不变，在以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第二光照度，基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例；

在本发明的一些实施方式中，所述第二标定值小于光源1的额定值，且大于第一标定值。

如图4所示，步骤S500，利用连接在第一测量系统的输出端的标准光度计6，在以第一预设参数启动第一减光装置3、以第三预设参数启动第二减光装置、以第二标定值的电压启动光源1的情况下进行参数测量，测得的参数作为第三光照度，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例；

步骤S600，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器7输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度；

步骤S700，基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器7的光度灵敏度。

采用上述方案，本方案首先采用第一减光装置3、第二减光装置的两次减光以保证光子计数探测器7接收到足够弱的光，且通过两次减光能够便于后续对于第一减光比例和第二减光比例的测量，避免采用一次减光，减光过大导致参数难以测量，进一步，本申请通过第一减光比例和第二减光比例的测量计算出光子计数探测器7输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，解决了光子计数探测器7输出标准计数率参数时，光照度参数过小难以直接测定的问题，即本申请能够同时获得用于计算光度灵敏度的计数率值参数和光通量，精准计算光子计数探测器7的光度灵敏度。

本方案采用的减光方法必须中性且定量可测。常规的标准A光源1也无法直接输出如此微弱的光，必须进行减光。常见的减光方法有改变光源1距离、中性减光片、偏振片、可变光阑、积分球5等方式。但考虑到入射到光子计数探测器7接收面的光，即减光后的光仍要是标准A光源1，因此减光必须是中性或接近中性(各个波长处的光衰减程度一致)。另外，由于减光后的强度要可精确测量，且直接利用光度计测量入射到光子计数探测器7接收面的光通量或照度是难以实现的，所以，可通过测量减光前的强度和减光的比例来间接达到，本方案通过减光比例定量可测的方式，实现精准测量。

在本发明的一些实施方式中，所述第一减光装置3、第二减光装置均可以为可调光阑4或减光片等。

在本发明的一些实施方式中，第二减光装置为在输入端设置可调光阑4的积分球5。

在本发明的一些实施方式中，所述基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例的步骤包括，基于如下公式计算所述第一减光比例：

其中，

表示第二光照度，

表示第一光照度，

表示第一减光比例。

在本发明的一些实施方式中，所述基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例的步骤包括，根据如下公式计算第二减光比例：

其中，

表示第三光照度，

表示第一光照度，

表示第二减光比例。

在本发明的一些实施方式中，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度的步骤包括，根据如下公式计算照射光照度：

其中，

表示第一减光比例，

表示第二减光比例，

表示初始光照度，

表示照射光照度。

光子计数探测器所需要的光非常微弱。由于光子计数技术通常只适用于测量大约每秒10⁸个以内分立光子的微弱光信号，考虑到存在暗计数和一般最大的计数率值，取计数率值范围10²~10⁶s^-1，以量子效率大约10%来估算，所需要的光源照度约在10^-10~10^-6lx。但市面上鲜有如此高灵敏度的光度计，一些弱光光度计可以达到10^-6lx或10^-7lx，还差大约2~3个量级，因此本方案采用两次减光，并计算处每次减光的比例，计算出照射光照度，便于得到照射光照度参数，提高计算精度。

在本发明的一些实施方式中，基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器7的光度灵敏度：

其中，

表示光度灵敏度，

表示标准计数率参数，

表示暗计数率参数，

表示照射光照度，

表示光子计数探测器的有效光接收面的面积。

在本发明的一些实施方式中，基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器7的光度灵敏度：

其中，

表示光度灵敏度，

表示标准计数率参数，

表示暗计数率参数，

表示照射光照度，

表示光子计数探测器的有效光接收面面积的半径。

如图5所示，在本发明的一些实施方式中，所述第一减光装置3为变向减光装置，所述变向减光装置包括遮光暗箱31、旋转台32、固定台35和两个连接端口33，两个所述连接端口33分别用于连接输入光纤和输出光纤；所述光纤包括输入光纤和输出光纤；

在本发明的一些实施方式中，所述连接端口33内部具有用于通过光的光通路。

所述旋转台32设置在遮光暗箱31内部，所述旋转台32通过内部的旋转轴进行转动，两个所述连接端口33其中之一固定在旋转台32上，且连接端口33内部光通路的延长线在旋转台32上表面的俯视平面上，通过旋转台32上表面图形的重心；

在本发明的一些实施方式中，所述遮光暗箱31为内部中空的正方体。

所述固定台35的高度与旋转台32的高度相等，两个所述连接端口33的另一个固定在固定台35上，且固定在固定台上的连接端口的一端，在旋转台上表面的俯视平面上，由固定台延伸至旋转台上表面的重心，且连接端口内部光通路延伸至旋转台上表面的重心；

两个所述连接端口33内部光通路的延长线在旋转台32上表面的俯视平面上，均通过旋转台32上表面图形的重心；

两个所述连接端口33的光通路均平行于旋转台32上表面所在平面，且与旋转台32上表面所在平面的距离相等，旋转所述旋转台32能够改变两个所述连接端口33的光通路的延长线在旋转台32上表面的俯视平面上的角度。

采用上述方案，本方案的变向减光装置为一种实现中性、连续、大范围减光的减光系统，利用光纤2存在一定数值孔径的原理，即入射到光纤2端面的光并不能全部被光纤2所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以，因此，可以通过改变两根光纤2对准的角度使符合角度要求的光进入光纤2并传输，从而实现减光，且当入射光的角度保持一定时，能够保证减光比例的一直，防止减光比例的波动。

在本发明的一些实施方式中，所述旋转台32包括稳定盘和旋转盘，所述稳定盘和旋转盘通过旋转轴连接，所述旋转盘连接在稳定盘上方。

在本发明的一些实施方式中，所述稳定盘和旋转盘的俯视图形为全等的圆形，所述旋转轴连接在两个圆形的圆心。

在本发明的一些实施方式中，连接于旋转台32的连接端口33设置在旋转盘上表面，当旋转旋转台32改变两个所述连接端口33的光通路的延长线在旋转台32上表面的俯视平面上的角度时，所述旋转盘转动，稳定盘不转动，所述稳定盘和旋转盘，均为具有厚度圆盘，两个圆盘侧面均标记有由于标记旋转角度的刻度。

在本发明的一些实施方式中，所述稳定盘和旋转盘均为具有厚度的圆盘。

在本发明的一些实施方式中，所述稳定盘固定在遮光暗箱31底部。

在本发明的一些实施方式中，在旋转台32上表面的俯视平面，连接于旋转台32的连接端口33的其中一端向旋转台32上表面的重心位置延伸。

在本发明的一些实施方式中，连接于旋转台32的连接端口33的其中一端向旋转台32上表面的重心位置延伸；连接于固定台35的连接端口33的其中一端延伸至旋转台32上表面的重心位置，连接于旋转台32的连接端口33的其中一端未延伸至旋转台32上表面的重心位置。

在本发明的一些实施方式中，连接于旋转台32的连接端口33用于连接输入光纤，连接于固定台35的连接端口33用于连接输出光纤。

在本发明的一些实施方式中，所述遮光暗箱31的其中两个侧面各设置有一个通孔34，所述通孔34用于光纤2穿过，两个光纤2分别于两个连接端口33相连接。

本发明中采用了改变角度、可变光阑和积分球5三种中性减光方法来组合成大倍率减光，主要是因为单独一个大倍率减光不方便测定减光比例，比如现有的某款弱光光度计，测量范围跨越6个量级，对它来说，比较合适的、可测量的减光比例最好大于10^-4，若测量更小的比例则测量误差会显著增大。

实施例一

第一测量系统采用在标示的电压或电流下可以输出色温2856K的标准A光源溴钨灯作为光源，额定工作电压和功率为21V、150W，第一减光装置采用变向减光装置，第二减光装置采用在输入端设置可调光阑的积分球，采用光纤将光源、第一减光装置和第二减光装置顺序连接为第一测量系统；

光源采用一支溴钨灯放置于一个屏蔽箱内，屏蔽箱上有一个光输出口；

第二测量系统采用在标示的电压或电流下可以输出色温2856K的标准A光源溴钨灯作为光源，第二减光装置采用在输入端设置可调光阑的积分球，采用光纤将光源、第二减光装置顺序连接为第二测量系统；

第二减光装置的可变光阑为具有微分头的双向可调狭缝，安装固定于所述积分球的光输入孔前，可变光阑朝外的一侧装配了法兰接口，用于与用光纤配接；

第二减光装置的积分球有光输入、光输出两个开孔，光输出开孔配置了法兰接口，所述标准光度计的探头和所述光子计数探测器与法兰接口配接；

光子计数探测器采用日本滨松型号为C13796的光子计数探测器；标准光度计采用弱光照度计，照度测量范围0~0.2lx，最小分辨10^-7lx；光子计数探测器和标准光度计均连接有用于读取示数的计算机；

步骤1，在第一测量系统的积分球的输出端口处连接光子计数探测器，在将光子计数探测器与安装测量软件的计算机相连接，打开光子计数探测器电源，预热15分钟，在计算机测量软件上读取15分钟内，光子计数探测器的平均暗计数率R₀=56s^-1；

步骤2，光源输出的光的色温为2856K时接入的电压值V₀=14.20V，启动光源，将接入电压调节至14.20V，调节旋转台的转动角度和可变光阑的孔位大小，使光子计数探测器的计数率处于线性计数率范围，预热15分钟，在标准A光源下读取光子计数探测器的平均计数率R=8250s^-1作为标准计数率参数，记录此时旋转台角度

和可变光阑孔位H；

步骤3，在第二测量系统的积分球的输出端口处连接标准光度计，启动光源，将接入电压调节至14.20V，将可变光阑调至最小减光程度对应的孔位，启动标准光度计，从标准光度计读出初始光照度E₀=6.45

10^-4lx；

步骤4，在第二测量系统的积分球的输出端口处连接标准光度计，以第二标定值

=20.74V启动光源，将可变光阑调至最小减光程度对应的孔位，启动标准光度计，读取标准光度计输出的参数作为第一光照度E₁=3.22

10^-3lx；再次调节第二减光装置为第二预设参数，即可变光阑孔位H，读取标准光度计输出的参数作为第二光照度E₂=1.24

10^-5lx；计算第一减光比例：

步骤5，在第一测量系统的积分球的输出端口处连接标准光度计，调节第一减光装置为第一预设参数，即旋转台角度

，将可变光阑调至最小减光程度对应的孔位，以光源电源的电压为第二标定值

=20.74V启动光源，读取标准光度计输出的参数作为第三光照度E₃=1.07

10^-5lx，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例：

步骤6，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度

：

步骤7，首先测得光子计数探测器的光敏面直径为22mm，即光子计数探测器的有效光接收面的面积的直径为22mm，基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器的光度灵敏度

：

通过对光子计数探测器进行光度灵敏度校准，一方面可以比较不同光子计数探测器的灵敏度大小，更为重要的是可以定量判断该光子计数探测器在某个应用条件下是否满足灵敏度要求，或者准确反推出该应用条件所应达到的光强度水平。

本方案的有益效果包括：

1、本方案以色温2856K的标准A光源作为光源，经过多级中性减光系统实现中性、大倍率减光，用标准弱光光度计测定减光前的光照强度和每一级中性减光系统的减光比例，得到照射至光子计数探测器的光通量或光照度，再根据从光子计数探测器读出的有效计数率值完成对光度灵敏度的定量校准；

2、本方案在标准A光源下直接测量光子计数探测器的光度灵敏度，大大减少了在单色光下逐波长测量所需的时间以及降低了测试的复杂度，同时标准A光源是光度测量中广泛采用的一种标准光源，测试结果便于评价、比对；

3、本方案为了保证在统一的光源下进行测量和评价，能够使光源减光前后光谱分布保持一致，即实现中性减光，且减光比例连续可调，以便于调节出不同的光照强度；

4、本方案为了绝对校准光度灵敏度，能够准确测量出入射到光子计数探测器接收面的光通量或照度；

5、本方案采用改变角度、可变光阑和积分球三种中性减光方法，既实现了中性减光，保证入射到光子计数探测器的光仍然符合标准A光源的光谱分布，又组成多级减光实现大倍率减光，达到了光子计数所需的弱光水平，且减光比例连续可调；

6、本方案将大倍率减光分成多级减光，各级之间采用相同的输入、输出接口和连接用光纤，每一级减光比例适当且可独立测定，多级减光的减光比例在测试中现场测定，而且是利用校准装置自身测量，测试条件与使用条件一致，保证了减光比例的准确可靠，进而提高了光子计数探测器光度灵敏度校准的准确性，解决了单一大倍率减光的比例不容易精确测定、现有仪器灵敏度不足以测量所需弱光水平等技术难题；

7、本方案多级减光的减光比例在测试中现场测定，而且是利用校准装置自身测量，测试条件与使用条件一致，保证了减光比例的准确可靠，进而提高了光子计数探测器光度灵敏度校准的准确性。

本发明实施例还提供一种光子计数探测器光度灵敏度校准装置，该装置包括光源（1）、第一减光装置（3）和第二减光装置，

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器7，将在不启动所述第一测量系统的光源的情况下的光子计数探测器7的参数为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源1、第一减光装置3和第二减光装置；

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器7，以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源1、以第一预设参数启动第一减光装置3、以第二预设参数启动第二减光装置，此时光子计数探测器7的参数为标准计数率参数；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计6，以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源1、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计6的参数为初始光照度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源1和第二减光装置；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计6，以第二标定值的电压启动所述第一测量系统的光源1、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计6的参数为第一光照度；在保持光源1电压为第二标定值不变，以第二预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计6的参数为第二光照度；

在第一测量系统的输出端连接标准光度计6，以第一预设参数启动第一减光装置3、以第三预设参数启动第二减光装置、以第二标定值的电压启动光源1，此时标准光度计6输出的参数作为第三光照度；

所述装置还包括处理设备，所述处理设备接收第一光照度、第二光照度、第三光照度、初始光照度、标准计数率参数和暗计数率参数，所述处理设备用于基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器（7）输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度，再基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器7的光度灵敏度。

所述处理设备可以为计算机或服务器等具有数据存储和计算能力的设备。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述光子计数探测器光度灵敏度校准方法所实现的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（ASIC）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，做出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器（7）在不启动所述第一测量系统的光源的情况下进行参数测量，测得的参数作为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源（1）、第一减光装置（3）和第二减光装置；

利用连接在第一测量系统的输出端的光子计数探测器（7）在以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源（1）、以第一预设参数启动第一减光装置（3）、以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为标准计数率参数；

利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计（6）在以第一标定值的电压启动光源（1）、以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为初始光照度，第三预设参数对应第二减光装置的最小减光程度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源（1）和第二减光装置；

利用连接在第二测量系统的输出端的标准光度计（6）在以第二标定值的电压启动光源（1）、以第三预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第一光照度，所述第二标定值大于第一标定值；在保持光源（1）电压为第二标定值不变，在以第二预设参数启动第二减光装置的情况下进行参数测量，测得的参数作为第二光照度，基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例；

利用连接在第一测量系统的输出端的标准光度计（6）在以第一预设参数启动第一减光装置（3）、以第三预设参数启动第二减光装置、以第二标定值的电压启动光源（1）的情况下进行参数测量，测得的参数作为第三光照度，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例；

基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器（7）输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度；

基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器（7）的光度灵敏度。

2.根据权利要求1所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述第二减光装置为在输入端设置可调光阑（4）的积分球（5）。

3.根据权利要求1所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例的步骤包括，基于如下公式计算所述第一减光比例：

其中，

表示第二光照度，

表示第一光照度，

表示第一减光比例。

4.根据权利要求1所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例的步骤包括，根据如下公式计算第二减光比例：

其中，

表示第三光照度，

表示第一光照度，

表示第二减光比例。

5.根据权利要求1所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度的步骤包括，根据如下公式计算照射光照度：

其中，

表示第一减光比例，

表示第二减光比例，

表示初始光照度，

表示照射光照度。

6.根据权利要求1所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器（7）的光度灵敏度的步骤包括，根据如下公式计算光度灵敏度：

其中，

表示光度灵敏度，

表示标准计数率参数，

表示暗计数率参数，

表示照射光照度，

表示光子计数探测器的有效光接收面的面积。

7.根据权利要求1-6任一项所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述第一减光装置（3）为变向减光装置，所述变向减光装置包括遮光暗箱（31）、旋转台（32）、固定台（35）和两个连接端口（33），两个所述连接端口（33）分别用于连接输入光纤（2）和输出光纤（2）；

所述旋转台（32）设置在遮光暗箱（31）内部，所述旋转台（32）通过内部的旋转轴进行转动，两个所述连接端口（33）其中之一固定在旋转台（32）上，且连接端口（33）内部光通路的延长线在旋转台（32）上表面的俯视平面上，通过旋转台（32）上表面的重心；

所述固定台（35）的高度与旋转台（32）的高度相等，两个所述连接端口（33）其中之一固定在固定台（35）上，且固定在固定台（35）上的连接端口（33）的一端，在旋转台（32）上表面的俯视平面上，由固定台（35）延伸至旋转台（32）上表面的重心，且连接端口内部光通路延伸至旋转台（32）上表面的重心；

两个所述连接端口（33）的光通路均平行于旋转台（32）上表面所在平面，且与旋转台（32）上表面所在平面的距离相等，旋转所述旋转台（32）能够改变两个所述连接端口（33）的光通路的延长线在旋转台（32）上表面的俯视平面上的角度。

8.根据权利要求7所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，在旋转台（32）上表面的俯视平面，连接于旋转台（32）的连接端口（33）的其中一端向旋转台（32）上表面的重心位置延伸。

9.根据权利要求8所述的光子计数探测器光度灵敏度校准方法，其特征在于，所述遮光暗箱（31）的其中两个侧面各设置有一个通孔（34），所述通孔（34）用于光纤（2）穿过，两个光纤（2）分别于两个连接端口（33）相连接。

10.一种光子计数探测器光度灵敏度校准装置，其特征在于，该装置包括光源（1）、第一减光装置（3）和第二减光装置，

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器（7），将在不启动所述第一测量系统的光源的情况下的光子计数探测器（7）的参数作为暗计数率参数，所述第一测量系统包括顺序连接的光源（1）、第一减光装置（3）和第二减光装置；

在第一测量系统的输出端连接光子计数探测器（7），以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源（1）、以第一预设参数启动第一减光装置（3）、以第二预设参数启动第二减光装置，获取光子计数探测器（7）的参数为标准计数率参数；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计（6），以第一标定值的电压启动所述第一测量系统的光源（1）、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计（6）的参数为初始光照度，所述第二测量系统包括顺序连接的光源（1）、第二减光装置；

在第二测量系统的输出端连接标准光度计（6），以第二标定值的电压启动所述第一测量系统的光源（1）、以第三预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计（6）的参数为第一光照度；在保持光源（1）电压不变，以第二预设参数启动第二减光装置，此时标准光度计（6）的参数为第二光照度；

在第一测量系统的输出端连接标准光度计（6），以第一预设参数启动第一减光装置（3）、以第三预设参数启动第二减光装置，以第二标定值的电压启动光源（1），此时标准光度计（6）输出的参数作为第三光照度；

所述装置还包括处理设备，所述处理设备用于基于第一光照度和第二光照度计算第一减光比例，基于第三光照度和第一光照度计算第二减光比例，基于第一减光比例、第二减光比例和初始光照度计算光子计数探测器（7）输出标准计数率参数时接收到的光照度参数，将该光照度参数作为照射光照度，再基于标准计数率参数和暗计数率参数计算第一参数值，基于照射光照度计算第二参数值，基于第一参数值和第二参数值计算得到光子计数探测器（7）的光度灵敏度。

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