韓強盛,張保洲,盧利根 ,艾明澤

(1.北京師范大學(xué)天文系，北京 100875；2.北京市應(yīng)用光學(xué)重點實驗室，北京 100875；3.遼寧省計量測試研究院，遼寧 沈陽 110000)

?

快速光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間精密測量裝置

韓強盛1,張保洲1,2,盧利根1,2,艾明澤3

(1.北京師范大學(xué)天文系，北京 100875；2.北京市應(yīng)用光學(xué)重點實驗室，北京 100875；3.遼寧省計量測試研究院，遼寧 沈陽 110000)

快速光電探測系統(tǒng)或光電探測器，在頻閃光源和動態(tài)顯示目標的光度測量中應(yīng)用十分廣泛。給出了一套準確測量光電探測系統(tǒng)或光電探測器響應(yīng)時間測量裝置，該裝置適于測量的光電探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間極限為10-7s，為了驗證激光方波信號的質(zhì)量，還采用光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統(tǒng)，因此本裝置還具有測量頻閃光源和動態(tài)顯示目標瞬態(tài)光度的能力。

光電探測系統(tǒng)；響應(yīng)時間；激光方波信號；瞬態(tài)測量；Lab-view

引言

光電探測系統(tǒng)能夠?qū)⑼饨巛斎氲墓庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號輸出，轉(zhuǎn)換速度的快慢取決于探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間。近年來，閃光源、動態(tài)顯示目標、快速激光等應(yīng)用日益廣泛，對這些瞬態(tài)變化的輻射源的研究和評價都會涉及到對它們的光度測量[1-15]以及相關(guān)測量設(shè)備。隨著這些應(yīng)用瞬態(tài)變化輻射源水平的提高，對光電探測器響應(yīng)時間測量精度的要求也日益提高，相應(yīng)地提出了高精度測量光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間手段的需求。然而，目前市場上罕見能夠用來準確測量快速響應(yīng)光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間的完整裝置，造成在瞬變光源光度測量領(lǐng)域測量方法科學(xué)性和可靠性的缺失，常常出現(xiàn)不同測量裝置獲得的結(jié)果差異性很大的現(xiàn)象，這也是大家仍然不斷探討和關(guān)注光電探測器或光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間的測量更佳方法和手段[16-31]。

針對上述情況，本研究旨在設(shè)計出一套能夠準確測量光電探測系統(tǒng)或光電探測器響應(yīng)時間的裝置。就目前常見的測量光電探測系統(tǒng)或光電探測器響應(yīng)時間的方法而言，直接根據(jù)響應(yīng)時間定義，電探測系統(tǒng)或光電探測器對方波輻射信號響應(yīng)上升沿的時長還是其最佳的表征?；谶@樣的考慮，裝置的光源采用直接調(diào)制激光器來獲得測量用的高質(zhì)量激光方波信號(上升沿時間10-8s)，并利用快速放大電路和高速數(shù)據(jù)采集卡來構(gòu)造信號放大和采集系統(tǒng)，最后在Lab-view虛擬儀器開發(fā)平臺上對測量結(jié)果進行計算和顯示。為了驗證獲得的激光方波信號和快速放大電路能夠滿足測量要求，我們使用快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統(tǒng)來對調(diào)制激光信號進行采集驗證。實驗表明該裝置適于響應(yīng)時間不小于10-7s光電探測系統(tǒng)或光電探測器的準確測量。

1 裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 響應(yīng)時間測量原理

響應(yīng)時間是表征光電探測系統(tǒng)或光電探測器對光輻射響應(yīng)速度快慢的參數(shù)，用響應(yīng)信號相對于輸入信號的延遲時間來表示。對于光電探測探測器，傳統(tǒng)上常利用其對脈沖信號響應(yīng)圖形中從開始上升到上升至峰值的70%所需時間來表征響應(yīng)時間[32]，一方面由于噪聲的存在使得開始上升的位置難以準確選擇；另一方面，由于存在干擾和變形的存在，脈沖響應(yīng)圖形峰值常常存在一定的失真。實踐表明利用利用其對方波信號響應(yīng)圖形上升沿來確定響應(yīng)時間更為嚴格。通常可以用方波信號響應(yīng)圖形上升沿中從達到坪區(qū)10%到上升至坪90%所需時間來表征響應(yīng)時間，稱為光電探測器的上升時間。因此測量響應(yīng)時間最主要的是要獲得比較理想的方波光輻射信號，即光方波信號的上升沿具有很好垂直度，而且要有準確放大和呈現(xiàn)光電探測探測器輸出電信號。

1.2 響應(yīng)時間測量裝置的結(jié)構(gòu)

圖1是裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可以看出，裝置圍繞被測探測器(或系統(tǒng))主要由四部分構(gòu)成。

光脈沖信號產(chǎn)生模塊主要包括了產(chǎn)生調(diào)制電信號的信號發(fā)生器和作為光輻射源的激光器。激光器在信號發(fā)生器的調(diào)制下，可輸出比較理想的方波光輻射信號，測試時方波光輻射信號直接投射到光電探測探測器的光敏面上，信號的強度可以通過信號發(fā)生器調(diào)節(jié)和控制。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the equipment

信號調(diào)理模塊主要由濾波和放大電路構(gòu)成，其作用是將被測探測器獲得的電信號轉(zhuǎn)換(如果是電流信號)和放大成適于采集的電壓信號后，傳輸至數(shù)據(jù)采集卡。當然，對于光電探測系統(tǒng)，即被測自身具有輸出模擬信號的能力，測試時就無需這個模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，其作用對信號調(diào)理模(對于被測為光電探測器)或被測光電探測系統(tǒng)輸出的電壓信號進行采集并形成數(shù)字信號后，傳輸至計算機。對于被測是自身具有輸出數(shù)字信號能力的光電探測系統(tǒng)，測試時光電探測系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號可直接傳輸至計算機，測試時就無需經(jīng)過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊。

信號處理及結(jié)果顯示模塊主要由計算機和專用軟件構(gòu)成，其作用對數(shù)據(jù)采集模塊(對于被測為光電探測器或帶模擬輸出的光電探測系統(tǒng)輸)或帶數(shù)字輸出的光電探測系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號進行處理并呈現(xiàn)測量圖形和結(jié)果。

2 裝置的性能

2.1 方波光輻射信號

由于半導(dǎo)體激光器具有閾值低、頻率響應(yīng)高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。裝置采用電壓TTL信號來調(diào)制半導(dǎo)體激光器來獲得測量所需要的方波光輻射信號。某公司生產(chǎn)的33600系列的數(shù)字信號發(fā)生器輸出的方波調(diào)制電壓信號，驅(qū)動可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器形成方波光輻射信號。圖2是用高頻示波器采集到的信號發(fā)生器輸出的方波電壓信號，通過調(diào)節(jié)脈沖幅度和偏置電壓，可以調(diào)節(jié)和控制信號的強度。圖2(a)為調(diào)制的高頻方波電壓信號概貌，圖2(b)為相應(yīng)方波上升沿電壓信號細節(jié)。由圖2可見，信號發(fā)生器輸出的電壓方波信號上升沿時間僅大致為5 ns。

實驗中使用的半導(dǎo)體激光器響應(yīng)時間非常短，響應(yīng)時間在三個納秒左右。我們利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓方波信號來對半導(dǎo)體激光器進行TTL調(diào)制。

圖2 信號發(fā)生器及其輸出電壓信號波形圖Fig.2 Signal generator and its output voltage signal waveform

2.2 方波光輻射信號上升沿垂直度

為了驗證通過直接調(diào)制激光輸出的方波信號上升沿垂直度滿足設(shè)計的要求，采用First Sensor公司生產(chǎn)的快速雪崩二極管(APD)為探測器，其標稱響應(yīng)時間僅為0.35 ns。在測量過程中，通過給雪崩二極管加偏置電路，以讓二極管工作在雪崩放大條件之下。偏置電路如圖3(a)所示，實測得到的信號如圖3(b)所示。

由圖3可見，經(jīng)電壓直接調(diào)制可以得到上升沿垂直度非常好的方波光輻射信號，上升小于10 ns。

2.3 快速放大電路

快速放大電路承擔著把被測探測器獲得的電信號轉(zhuǎn)換(如果是電流信號)和放大成適于采集電壓信號的任務(wù)，其采樣速率應(yīng)當不使被測探測器獲得的電信號產(chǎn)生影響結(jié)果的延時。放大電路的原理圖如圖4所示，為了滿足快速放大的要求，放大電路選用OPA656運算放大模塊來對輸入電流信號進行放大。OPA656 結(jié)合有一個超寬頻帶、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋運算放大器，此運算放大器適用于超高動態(tài)范圍的信號放大電路，能滿足不同等級強度的電流信號的放大需求。

為了充分利用高速數(shù)據(jù)采集卡的分辨率，需將待測探測器輸出的電流信號或者電壓信號放大到接近數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍。

2.4 快速放大電路速率

為了驗證快速放大電路的速率，采用光電倍增管作為探測器作為被測探測器來測試快速放大電路探測的響應(yīng)速率，由于PMT的上什時間為ns量級，所以只要測試得到的結(jié)果大于10 ns，就可以將測試結(jié)果視為快速放大電路探測的響應(yīng)速率。圖5就是PMT作為被試時快速放大電路的實際輸出電壓波形。由圖5可以看到，PMT作為被試時激光方波信號經(jīng)快速放大電路輸出較理想的方波，其前沿上升時間約為60 ns，這也就是快速放大電路的響應(yīng)速率。

圖3 APD采集方波光輻射信號上升沿波形圖Fig.3 Rising edge of the waveform for the square wave radiation signal collected by APD

圖4 放大電路的原理圖Fig.4 Amplifying circuit

圖5 PMT作為被試，快速放大電路的輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform of the amplifying circuit when the PMT is the testor

2.5 數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW虛擬儀器(VI)開發(fā)

數(shù)據(jù)采集卡將對快速放大電路輸出的信號(對于被測為光電探測器)或被測光電探測系統(tǒng)輸出的電壓信號進行采集并形成數(shù)字信號后，傳輸至計算機。因此，數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率應(yīng)略高于快速放大電路的響應(yīng)速率。裝置中采用的PCI-8514高速數(shù)據(jù)采集卡，具有14位采樣精度，最高采樣頻率為80MHz，支持單端四通道同步模擬量輸入。它采用DMA方式進行數(shù)據(jù)采集，具有512MB的緩存存儲容量。為了證實數(shù)據(jù)采集卡的實際采樣速率，用它對信號發(fā)生器給出的高速調(diào)制方波電信號進行直接采樣，結(jié)果表明高速數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)80MHz的采樣頻率(見圖6)。

圖6 裝置的結(jié)果顯示界面Fig.6 Result desktop of the equipment

為了使裝置實現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送和存儲的智能化，并加強裝置在擴展能力，裝置在軟件方面還進行了虛擬儀器開發(fā)，由于數(shù)據(jù)采集卡自帶了DLL動態(tài)鏈接庫，提供了許多上層用戶函數(shù)，這使得用戶不必了解復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集卡硬件線路和控制細節(jié)，在只需要知道采樣通道、頻率和采樣數(shù)等一些基本參數(shù)的情況下，便能夠通過Labview的庫函數(shù)節(jié)點(CLF)訪問動態(tài)鏈接庫從而實現(xiàn)對信號的采集和數(shù)據(jù)的處理，圖6是裝置的結(jié)果顯示界面。

3 結(jié)論

本研究完成了一套能夠直接按照定義準確測量光電探測系統(tǒng)或光電探測器響應(yīng)時間的裝置?；谶@樣的考慮，裝置的光源采用直接調(diào)制激光器來獲得測量用的高質(zhì)量激光方波信號(上升沿時間10-8s)，利用快速放大電路和高速數(shù)據(jù)采集卡來構(gòu)造信號放大和采集系統(tǒng)，最后在Lab-view虛擬儀器開發(fā)平臺上對測量結(jié)果進行計算和顯示。經(jīng)快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備的快速光電探測系統(tǒng)來對調(diào)制激光方波信號和快速放大電路進行采集驗證。實驗表明該裝置適于響應(yīng)時間不小于10-7s光電探測器或光電探測系統(tǒng)的準確測量。由于在構(gòu)建裝置的過程中，采用光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統(tǒng)，因此本裝置還具有測量頻閃光源和動態(tài)顯示目標瞬態(tài)光度的能力。

[1] 韓東，韓楊飛.灰階響應(yīng)時間測量不確定度的評定[J].電視技術(shù)，2014，38(13).

[2] 曾麗梅，蘇昌林.電光源頻閃測試技術(shù)研究[J].中國測試，2012，38(3).

[3] 楊光.基于不同驅(qū)動條件下白光LED照明頻閃問題的研究[J].照明工程學(xué)報，2011，22(6).

[4] 溫娜，張谷一.利用響應(yīng)時間曲線進行MPRT測量[J].電視技術(shù)，2009，33(9).

[6] 張建德，王瓊?cè)A，李大海，等.透反區(qū)響應(yīng)時間相等的雙盒厚透反液晶顯示器[J].光學(xué)技術(shù)，2009，35(6).

[7] 譚中奇，龍興武，張斌.探測器的響應(yīng)特性及對連續(xù)波腔衰蕩技術(shù)測量的影響[J].中國激光，2009，36(4).

[8] 徐濤.對液晶電視動態(tài)畫面響應(yīng)的測試研究[J].電視技術(shù)，2009，33(z2).

[9] 徐康興.電視圖像運動響應(yīng)特性的參數(shù)選擇及其測量[J].現(xiàn)代顯示，2008(5).

[10] 馬紅梅，王娜紅，孫玉寶. 弱錨定垂面排列液晶顯示器的響應(yīng)時間[J].液晶與顯示，2008，23(1).

[11] 潘鼎翔.實時測量液晶顯示器輝度及響應(yīng)時間的研究(英文)[J].液晶與顯示，2007，22(5).

[12] 徐康興.顯示器的響應(yīng)時間和拖尾時間[J].現(xiàn)代顯示，2005(5).

[13] 張啟燦，蘇顯渝，曹益平，等.利用頻閃結(jié)構(gòu)光測量旋轉(zhuǎn)葉片的三維面形[J].光學(xué)學(xué)報，2005，25(2).

[14] 潘旭輝，牟同升.光源的閃爍效應(yīng)及閃爍的測量方法[C].中國照明學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集,2005.

[15] 王術(shù)軍，張保洲，劉征峰.紅外瞬變光源光譜實時測試系統(tǒng)的研制[J].紅外技術(shù)，2001，23(1).

[16] 代永紅，艾勇，肖偉，等.高速相干光通信平衡探測器研究[J].光子學(xué)報，2015，44(1).

[17] 李彬，楊曉紅，尹偉紅，等.一種高速雪崩光電探測器[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2014，35(7).

[18] 李建威.中國計量院建立70GHz光探測器時間響應(yīng)測量裝置[J].中國計量，2014(2).

[19] 李永富，劉俊良，王青圃，等.基于電感-電容濾波電路的高速單光子探測器[J].光學(xué)學(xué)報，2013，33(B12).

[20] 張小東，邱孟通，張建福，等.4He閃爍裂變中子探測器時間響應(yīng)[J].強激光與粒子束，2013，25(7).

[21] 何文君，黃永清，段曉峰，等.一種漸變摻雜型pin光探測器的高速響應(yīng)性能研究[J].半導(dǎo)體光電，2013，34(3).

[22] 鄧楊，趙躍進.光電探測器響應(yīng)時間的測試[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013，10(2).

[23] 管敏杰，趙冬娥.一種基于PIN型光電二極管頻率響應(yīng)的測試方法[J].應(yīng)用光學(xué)，2012，33(6).

[24] 王蘭喜，陳學(xué)康，吳敢，等.晶界對金剛石紫外探測器時間響應(yīng)性能的影響[J].物理學(xué)報，2012，61(3).

[25] 汪萊，郝智彪，韓彥軍，等.通過調(diào)整金屬有機物氣相外延的晶核連接工藝改善AlGaN光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2011，32(1).

[26] 姜文杰，施建華，曾學(xué)文.光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間與微變等效電路[J].半導(dǎo)體光電，2009，30(5).

[27] 雒偉偉，黃永清，黃輝，等.一種改進光探測器高速性能的新方法[J].光電子·激光，2009，20(5).

[28] 林延?xùn)|.熱電型光輻射探測器時間響應(yīng)特性的研究[J].計量學(xué)報，2008，29(4).

[29] 高愛華，劉衛(wèi)國，吳威.基于光開關(guān)的光電探測器響應(yīng)時間測量[J].半導(dǎo)體光電，2008，29(2).

[30] 張忠兵，歐陽曉平，王蘭，等.ICI探測器的時間響應(yīng)特性研究[J].核技術(shù)，2008，31(2).

[31] 溫繼敏，傘海生，黃亨沛，等.高速光探測器頻率響應(yīng)的精確表征[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2006，27(9).

[32] 郝允祥，陳遐舉，張保洲.光度學(xué)[M]. 北京：中國計量出版社，2010.

The Precision Measuring Device of Response Time of High-speed Photoelectric Detection System

Han Qiangsheng1, Zhang Baozhou1,2, Lu Ligen1,2, Ai Mingze3

(1.DepartmentofAstronomy,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAppliedoptics,Beijing100875,China;3.InstitutionofMeasurementandTestingofLiaoningProvince,Shenyang110000,China)

High-speed optical detection system or photoelectric detectors have been widely applied in the photo-metric measurement of strobe light and targets of dynamic display. This paper presents a set of measurement device that can complete accurate measurement of response time of the photoelectric detection system or photoelectric detector, and this device is capable of measuring the fastest response time of 10-7s. In order to verify the quality of the laser square wave, a photo-multiplier tube (PMT) is prepared as the detector of a fast optical detection system. So this device also has the ability to measure the instantaneous luminosity values of strobe light and dynamic-displaying targets.

photoelectric detection; response time; laser; measurement; data acquisition card; Lab-view

張保洲，E-mail:zhangbzh@bnu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.001