孫德貝，李志剛，李福田

(1.中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引 言

光電探測(cè)器廣泛用于精密光輻射測(cè)量裝置中，如分光光度計(jì)、傅立葉變換光譜儀、氣體分析儀、地基/空基光譜輻射計(jì)和天基太陽/大氣定量光譜遙感儀器等[1-7]。由于入射到探測(cè)器的光功率變化很大，探測(cè)器系統(tǒng)的非線性必須仔細(xì)研究，并予以修正。這也是目前高精度大氣/太陽定量光譜遙感研究所關(guān)注的問題。

本文在討論光電探測(cè)系統(tǒng)線性度高精度測(cè)量方法基礎(chǔ)上，研制了光譜儀線性度測(cè)試裝置，文中圍繞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及硅光電二極管探測(cè)器和可見波段太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試結(jié)果及測(cè)量不確定度分析展開。

2 光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)量方法

有關(guān)光電探測(cè)系統(tǒng)線性度及其測(cè)量?jī)x器的發(fā)展已有較長(zhǎng)的歷史。除基于傳統(tǒng)的距離平方反比定律[7]等方法外，目前國際上光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)量一般采用基于非相干光束疊加原理的光束疊加法，實(shí)現(xiàn)光束疊加的方法分為雙光闌光束疊加法(NRC)、濾光片光束疊加法(NIST)和濾光片-雙光闌光束疊加法(NPL)3種。

加拿大國家研究委員會(huì)(National Research Council,NRC)的Sanders設(shè)計(jì)的線性儀[8-10]，如圖1所示，鎢帶燈光源經(jīng)消色差透鏡成像于探測(cè)器。9對(duì)光闌的精密光闌片位于成像透鏡前方，9對(duì)光闌面積遞增，相應(yīng)落到探測(cè)器接收面上光流的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)512∶1。通過大轉(zhuǎn)盤分別開閉或同時(shí)開閉的雙孔光闌進(jìn)行光電探測(cè)器線性測(cè)量。光電探測(cè)器或光電探測(cè)系統(tǒng)的線性是用來描述其產(chǎn)生一個(gè)正比于輸入光信號(hào)的電信號(hào)的能力。事實(shí)上，由于光電探測(cè)器本征特性或附屬的放大器系統(tǒng)特性，光電探測(cè)器或光電探測(cè)系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱光電探測(cè)系統(tǒng))一般都存在光電響應(yīng)度的非線性偏差。人們常用被稱為非線性因子的參量L(VA+B)來描述光電探測(cè)系統(tǒng)的非線性。L(VA+B)指光電探測(cè)系統(tǒng)線性偏差或非線性，并用其表示光電探測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)為(VA+VB)/2時(shí)的線性。L(VA+B)可由公式(1)計(jì)算得出：

(1)

其中，VA和VB表示兩個(gè)光信號(hào)A和B分別照明光電探測(cè)系統(tǒng)時(shí)光電探測(cè)系統(tǒng)的暗電流修正的輸出信號(hào)，而VA+B表示兩個(gè)光信號(hào)A和B同時(shí)照明相同光電探測(cè)系統(tǒng)時(shí)光電探測(cè)系統(tǒng)的暗電流修正的輸出信號(hào)。如果系統(tǒng)線性，則VA+VB等于VA+B，一般取VA近似等于VB，非線性因子L(VA+B)實(shí)質(zhì)上描寫了VA+B電壓下2∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的光電探測(cè)系統(tǒng)的非線性行為。

圖1 NRC線性儀Fig.1 NRC linearity testing device

美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(National Bureau of Standards,NBS)現(xiàn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of standards and technology,NIST)的Mielenz和Eckerle[11]報(bào)告了利用雙光闌法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分光光度計(jì)線性度的測(cè)量裝置和測(cè)量結(jié)果。

NIST的Saunders[12]和Thompson[13]報(bào)告了光束組合器Beamcon的工作原理、結(jié)構(gòu)及其光電探測(cè)器線性度測(cè)量結(jié)果。Beamcon用于表征輻射探測(cè)器，特別是接近噪聲等效功率的低照度下的輻射探測(cè)器的線性度，其在消雜光方面采取了多項(xiàng)措施。BeamconⅢ的結(jié)構(gòu)如圖2所示。室1中光源產(chǎn)生準(zhǔn)直光束；室2中準(zhǔn)直光束分為兩束，又重新合成；室3中引入空間濾波器，用于消除雜散光；室4中光束聚焦到探測(cè)器。BeamconⅢ基于光束疊加原理，通過不同的濾光片組合可產(chǎn)生不同的光通量。

圖2 NIST光束組合器BeamconIII結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of NIST Beamcon III

探測(cè)器處的光通量Φ是來自兩條路徑的光通量Φ1與Φ2之和:

Φ(i,j,k)=Φ1(i,k)+Φ2(j,k) ,

(2)

式中的變量表示濾光片組合，i(i=0,1,…,4)，代表輪W1上的濾光片。j(j=0,1,…,4)，代表輪W2上的濾光片。k(k=0,1,…,5)，代表輪W3上的濾光片。0代表關(guān)閉位置。對(duì)單條路徑而言，有30種可能的濾光片組合，其中10種組合沒有光通過。因此每條路徑有20種組合探測(cè)器能產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。

設(shè)探測(cè)器具有n次多項(xiàng)式表達(dá)的響應(yīng)函數(shù)：

Φ(i,j,k)=r0+r1S(i,j,k)+

r2S2(i,j,k)+…+rnSn(i,j,k) ,

(3)

式中，S(i,j,k)為探測(cè)器測(cè)得的響應(yīng)函數(shù)，經(jīng)過暗信號(hào)修正，且采用濾光片組合表示；r0、r1、r2、…、rn為探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)的系數(shù)。因?yàn)樘綔y(cè)器接近線性，也因?yàn)樾盘?hào)與光通量取為同一單位，故r1等于1。由式(2)和式(3)有:

Φ1(i,k)+Φ2(i,k)=r0+r1S(i,j,k)+

r2S2(i,j,k)+…+rnSn(i,j,k) .

(4)

每一輪測(cè)試中，有120個(gè)響應(yīng)信號(hào)，相應(yīng)地將生成120個(gè)如式(4)所示的表達(dá)式。其中有40+n個(gè)未知變量，來源于每條路徑上20種濾光片組合以及n個(gè)響應(yīng)函數(shù)系數(shù)。關(guān)閉的濾光片組合的光通量規(guī)定為0。通過這120個(gè)等式，利用線性最小二乘法求出40+n個(gè)未知量，即可求得多項(xiàng)式響應(yīng)函數(shù)的系數(shù)rx，即探測(cè)器的線性度。同時(shí)可求得光通量值Φ1(i,k)和Φ2(j,k)，可用于監(jiān)測(cè)濾光片的穩(wěn)定性。圖3為硅二極管放大器探測(cè)器系統(tǒng)相對(duì)響應(yīng)度隨信號(hào)的變化，圖3表明在所有檔位光電二極管探測(cè)系統(tǒng)線性度優(yōu)于0.054%，電流小于10-11A時(shí)線性度優(yōu)于0.209%。說明Beamcon III在接近噪聲水平下探測(cè)線性度的能力[13]。

圖3 硅二極管放大器探測(cè)器系統(tǒng)相對(duì)響應(yīng)度與信號(hào)的函數(shù)關(guān)系Fig.3 Relative responsivity as a function of signal for a silicon diode-amplifier detector system

英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的Theocharous[14-16]報(bào)導(dǎo)了用于表征熱釋電探測(cè)器非線性的測(cè)試裝置，如圖4所示。該裝置利用雙光闌的交替開閉實(shí)現(xiàn)光流疊加，用兩組中性濾光片改變待測(cè)探測(cè)器上的照度，從而獲得熱釋電探測(cè)器非線性校正因子。此外，還研究了多種LiTaO3熱釋電探測(cè)器的“超線性”特征。

圖4 NPL濾光片-雙光闌線性儀Fig.4 NPL filter-double aperture linearity testing device

3 實(shí)驗(yàn)裝置

為滿足地外太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)的線性度測(cè)試需要，本課題組研制了一臺(tái)光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試裝置，如圖5所示。該儀器由光源、中性濾光片輪、雙孔光闌和光學(xué)成像系統(tǒng)組成。來自光源的光線經(jīng)平面鏡和焦長(zhǎng)為200 mm凹面鏡準(zhǔn)直，利用中性濾光片輪改變其光流強(qiáng)度，之后，由可單獨(dú)開閉的雙孔光闌分為A和B兩束，實(shí)現(xiàn)光束A或B單通，或A+B雙通。然后經(jīng)另一平面鏡和焦長(zhǎng)為200 mm凹面鏡將光源成像于單色儀入射狹縫或太陽光譜儀前置漫透射板上。采用100 W鎢帶燈、250 W鹵鎢燈或300 W氙燈作光源，以模擬地外太陽光譜輻照度，工作波段為200～2 400 nm。金屬膜中性減光濾光片輪分為兩層，其光密度和透過率如表1所示，光流變化動(dòng)態(tài)范圍104。

圖5 光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性測(cè)試裝置Fig.5 Linearity measurement devices of spectrometer photoelectric detecting system

表1 濾光片光密度和透過率

4 本文光電探測(cè)系統(tǒng)線性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1 硅光電二極管探測(cè)器線性測(cè)量

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試裝置的性能，測(cè)量了濱松S2281硅光電二極管線性及其相關(guān)輻射特性。該光電二極管常用作紫外-可見-近紅外傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。濱松S2281硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍為190～1 100 nm，靈敏面直徑為φ11.3 mm，采用石英窗口。

4.1.1 光譜響應(yīng)度穩(wěn)定性和區(qū)域響應(yīng)度均勻性實(shí)驗(yàn)

圖6 探測(cè)器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)裝置Fig.6 Calibrating instrument of spectral radiant power responsivity for detector

探測(cè)器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)裝置如圖6所示。作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST發(fā)布的紫外-可見-近紅外硅光電二極管探測(cè)器，待定標(biāo)的探測(cè)器是日本濱松公司S2281硅光電二極管探測(cè)器(編號(hào)31100)。該裝置采用300 W超靜氙燈為光源，直流穩(wěn)流電源供電。氙燈經(jīng)平面鏡和曲率半徑為400 mm的凹面鏡成像于焦長(zhǎng)1.33 m McPherson 209 單色儀的入射狹縫。單色儀出射狹縫出射的單色光經(jīng)曲率半徑為400 mm的凹面鏡和平面鏡會(huì)聚于探測(cè)器表面。光點(diǎn)尺寸可調(diào)，探測(cè)器通量響應(yīng)度定標(biāo)時(shí)，光點(diǎn)直徑約為3 mm。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器與待測(cè)探測(cè)器同時(shí)安裝在一個(gè)電控三維平移臺(tái)上，通過移入移出，進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。McPherson 209單色儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)為雙通Czerny-Tuner型，有中間狹縫。這種結(jié)構(gòu)有利于提高分辨率、減少光譜雜光。平面光柵刻線密度為1 200 g/mm，工作波段為200～1 100 nm，光譜分辨率為0.01 nm。在400～1 100 nm波段工作時(shí)加入濾光片，以消除400 nm或800 nm以下的二級(jí)光譜的影響。單色儀波長(zhǎng)重復(fù)性和準(zhǔn)確度分別為±0.005 nm和±0.05 nm。計(jì)算機(jī)通過232接口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單色儀正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行波長(zhǎng)掃描。在McPherson 209單色儀驅(qū)動(dòng)程序控制下通過IEEE-488接口控制Keithley 6485數(shù)字靜電計(jì)進(jìn)行探測(cè)器輸出數(shù)據(jù)采集，并通過232接口控制波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描。光譜掃描范圍為200～1 100 nm，采樣間隔為10 nm。在單色儀波長(zhǎng)掃描過程中，也采集擋光時(shí)探測(cè)器背景輸出信號(hào)，最后將波長(zhǎng)與探測(cè)器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。

圖7給出待測(cè)S2281-31097(31097為編號(hào))硅光電二極管探測(cè)器光譜輻射通量響應(yīng)度定標(biāo)結(jié)果，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性在0.3%以內(nèi)。5F001 Responsivity 是本實(shí)驗(yàn)用作標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的由NIST發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管探測(cè)器的光譜輻射通量響應(yīng)度；31097 Responsivity1 和31097 Responsivity2 是定標(biāo)得到的濱松S2281-31097硅光電二極管探測(cè)器的光譜輻射通量響應(yīng)度，1和2分別表示結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖7 S2281-31097硅光電二極管光譜響應(yīng)度及其穩(wěn)定性Fig.7 Spectral radiant power responsivity and stability of S2281-31097 Si photodiode

為降低待測(cè)探測(cè)器區(qū)域響應(yīng)度對(duì)線性度測(cè)量的影響，要求S2281探測(cè)器要有良好的區(qū)域響應(yīng)度均勻性。為此，在輻射通量模式下，以細(xì)窄光束掃描探測(cè)器表面，并測(cè)量探測(cè)器區(qū)域響應(yīng)均勻性。圖6所示裝置中，經(jīng)McPherson 209單色儀出射狹縫出射的單色光經(jīng)曲率半徑為400 mm的凹面鏡和平面鏡會(huì)聚于S2281-31100硅光電二極管探測(cè)器的靈敏面，同時(shí)驅(qū)動(dòng)位于電控三維位移臺(tái)上的探測(cè)器，測(cè)量其區(qū)域響應(yīng)度均勻性。光點(diǎn)直徑為1 mm，F(xiàn)/15，波長(zhǎng)為500 nm，掃描步長(zhǎng)為0.5 mm/步。圖8(彩圖見期刊電子版)給出探測(cè)器區(qū)域響應(yīng)度均勻性等高線圖，圖8表明該探測(cè)器區(qū)域響應(yīng)度非均勻性小于0.5%。

圖8 S2281-31100硅光電二極管區(qū)域響應(yīng)度均勻性Fig.8 Spatial uniformity of S2281-31100 Si photodiode response

4.1.2 S2281-31100硅光電二極管線性度測(cè)量

采用如圖5所示光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試裝置測(cè)量硅光電二極管探測(cè)器線性。旋轉(zhuǎn)中性濾光片輪改變待測(cè)探測(cè)器照度，借助雙光闌求得不同光照下非線性修正因子，進(jìn)而求得S2281-31100探測(cè)器非線性度曲線，如圖9所示。結(jié)果表明S2281-31100動(dòng)態(tài)范圍為104，線性度優(yōu)于±0.1%。

圖9 S2281-31100硅光電二極管探測(cè)器線性度Fig.9 Linearity factor of S2281-31100 Si photodiode

4.2 可見波段太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)量

用于太陽光譜輻照度測(cè)量的可見波段太陽光譜儀由前置漫透射板、800周/秒音叉調(diào)制器、凹面反射光柵雙單色儀、后置濾光片輪、R7378A光電倍增管、前置放大器、800周/秒鎖相放大器、波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成。

4.2.1 可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度穩(wěn)定性及區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性

以NIST發(fā)布的1 000 W光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)石英鹵鎢燈F661及自行傳遞的F1391石英鹵鎢燈輻照可見波段太陽光譜儀前置漫透射板，為可見波段太陽光譜儀定標(biāo)，獲得可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度及其穩(wěn)定性，如圖10所示，其穩(wěn)定性為0.1%。鹵鎢燈工作電流(8±0.002) A，由高精度直流穩(wěn)流電源供電，距離可見波段太陽光譜儀漫反射板(500±0.1) mm。

圖10 可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度及其穩(wěn)定性Fig.10 Spectral irradiance responsivity and its stability of VIS solar spectrometer

由可見波段太陽光譜儀的光譜輻照度響應(yīng)度及地外太陽輻照度，可求得太陽光譜儀在地外太陽輻照下400～750 nm預(yù)估的光譜輸出，如圖11所示。

圖11 可見波段太陽光譜儀地外太陽輻照下光譜輸出Fig.11 Output at extraterrestrial solar irradiance of VIS solar spectrometer

上述可見波段太陽光譜儀光譜輻照度響應(yīng)度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，在漫透射板前方5 mm處放置一片直徑為0.5 mm光闌，太陽光譜儀波長(zhǎng)設(shè)置為500 nm，進(jìn)行X-Y掃描，取讀數(shù)，獲得可見波段太陽光譜儀區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性分布圖，如圖12(彩圖見期刊電子版)所示。

圖12 可見波段太陽光譜儀區(qū)域光譜輻照度響應(yīng)度均勻性Fig.12 Spatial uniformity of VIS solar spectrometer response

4.2.2 可見波段太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)量

將光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試裝置放于可見波段太陽光譜儀漫透射板前方，旋轉(zhuǎn)中性濾光片輪改變漫透射板上的照度，借助雙光闌求得不同光照下非線性修正因子，求得可見波段太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)非線性度曲線，如圖13所示。圖13顯示可見波段太陽光譜儀500 nm處光電探測(cè)系統(tǒng)地外太陽輻照水平下表現(xiàn)出：一檔非線性為2.8%，二檔非線性為0.6%，三檔線性。分析表明：除1檔強(qiáng)光下R7378A光電倍增管具有0.5%非線性外，其余歸因于電子學(xué)放大器。

根據(jù)公式(1)解出的非線性度綜合不確定度如表2所示，為0.14%。

圖13 可見波段太陽光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)超線性響應(yīng)Fig.13 Superlinear response of VIS solar spectrometer

Uncertainty sourcesUncertainty/%VA reading stability and reproducibility0.1VB reading stability and reproducibility0.1V(A+B) reading stability and reproducibility0.1Combined uncertainty0.14

5 結(jié) 論

以高穩(wěn)定度光源、光密度中性濾光片、雙光闌和成像光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的光譜儀光電探測(cè)系統(tǒng)線性度測(cè)試裝置，在地外太陽光譜輻照度下，測(cè)量了可見波段太陽光譜儀的線性度。結(jié)果顯示，增益為1檔時(shí)非線性度為2.8%，增益為2檔時(shí)非線性度為0.6%，需進(jìn)行非線性修正。非線性度測(cè)量不確定度優(yōu)于0.14%，測(cè)量不確定度滿足測(cè)量技術(shù)指標(biāo)要求。