基于準(zhǔn)單色照明光源系統(tǒng)的能量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

汪杰君，陳 志，胡亞東，崔珊珊，張愛文，葉 松，洪 津

（1. 桂林電子科技大學(xué) 北海校區(qū) 海洋工程學(xué)院，廣西 北海 536000；2. 桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031）

圖1 量子效率測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of quantum efficiency measurement principle

圖2 EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 EMVA1288 Standard

0 引言

光源的能量監(jiān)測系統(tǒng)廣泛用于光電二極管探測器相對響應(yīng)度測量、各類探測器定標(biāo)以及各類光源系統(tǒng)的參考探測器、傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器、硅陷進(jìn)探測器（trap）等領(lǐng)域，是光學(xué)遙感、光輻射測量、偏振測量領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分，尤其當(dāng)光源或者系統(tǒng)不穩(wěn)定時，能量監(jiān)測系統(tǒng)的使用能夠有效地降低和校正待測探測器測量的誤差和不確定度[1]。文獻(xiàn)[2]采用超連續(xù)激光單色儀定標(biāo)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)級絕對光譜響應(yīng)度定標(biāo)。監(jiān)視探測器用于監(jiān)測待測探測器接收的相對能量變化。本文主要以用于量子效率測量的連續(xù)可調(diào)諧均勻單色照明光源系統(tǒng)為被監(jiān)測光源系統(tǒng)，設(shè)計一款針對其光譜輸出范圍為300nm～2200nm、光源能量輸出范圍為100pW～100nw的能量監(jiān)測系統(tǒng)。

1 量子效率測量原理

光電探測器是光輻射測量的基礎(chǔ)，而量子效率是光電探測器最重要的參數(shù)[3-5]。連續(xù)可調(diào)諧均勻單色照明光源系統(tǒng)主要作用是用來測量光電探測器量子效率，其測量原理如圖1所示。

照明光源經(jīng)單色儀分光后輸出準(zhǔn)單色光源，光線入射至積分球內(nèi)，經(jīng)多次漫反射后其出射光線被探測器接收。積分球內(nèi)壁的監(jiān)視探頭用于監(jiān)測探測器接收的相對能量變化。絕對定標(biāo)探測器與待測探測器共面放置，通過水平移動導(dǎo)軌來回切換光路，測量探測器接收的光譜輻照度。

量子效率定義為在某一特定波長的光照下，在一定曝光時間內(nèi)，單個像素光敏面的吸收與累積的平均電荷數(shù)與輻射的平均光子數(shù)的比值。它表示探測器芯片在曝光時間內(nèi)將到達(dá)像素光敏面的光子轉(zhuǎn)換為電子的百分比，在微觀上描述了探測器的光譜特性，與器件的幾何結(jié)構(gòu)、材料等有關(guān)，是衡量探測器性能的最主要因素之一[6]。目前，實(shí)現(xiàn)光電探測器量子效率測量的方法主要有3種：光電二極管自校準(zhǔn)[7]、相關(guān)光子檢測[8]和基于低溫輻射計的量子效率測量[9]。歐洲機(jī)器視覺協(xié)會提出了專門用于相機(jī)測試的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)給出了用于相機(jī)測試的數(shù)學(xué)模型，圖2分別是EMVA1288給出的相機(jī)的物理模型和單個像素的數(shù)學(xué)模型。

從圖2（a）得到：在某曝光時間下，光子撞擊像素表面后，經(jīng)過一系列的步驟，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。量子效率定義為在一定的曝光量下，像元產(chǎn)生的電荷數(shù)與入射到像元表面的光子數(shù)之比，公式如下：

像元產(chǎn)生的電子經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換、放大器放大之后，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并以灰度值表示。一般假設(shè)整個過程是線性的，并以增益K表示線性變化率，因此得到公式如下：

式（2）中，DN(λ)—平均灰度值；DN(λ).dark—暗場平均灰度值；K—系統(tǒng)總增益；J—待測探測器感光照度；A—待測探測器像元面積；Texp—曝光時間；h—普朗克常量；c—光速。由公式（2）可知：待測探測器的量子效率的測量，必須測試其平均灰度值DN(λ)與暗場值DN(λ).dark以及感光面照度J，從而計算出待測探測器的量子效率。

2 能量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理

圖3 能量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理Fig.3 Design principle of energy monitoring system

能量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理如圖3所示。具體方法是在積分球側(cè)壁放置監(jiān)視探頭，用于監(jiān)測待測探測器接收的相對光譜能量，實(shí)現(xiàn)量子效率的測量。光源系統(tǒng)的光譜范圍為300nm～2200nm，監(jiān)視探頭需要做3個：探頭一UVS-010硅探測器探頭，監(jiān)測范圍為：300nm～1050nm；探頭二G12180 InGaAs紅外探測器，監(jiān)測范圍為：950nm～1800nm；探頭三 G12183 InGaAs紅外探測器，監(jiān)測范圍為：1600nm～2400nm。

照明光源入射到單色儀，通過單色儀內(nèi)部的分光光柵實(shí)現(xiàn)單色光的連續(xù)輸出準(zhǔn)單色光源，光線入射至積分球內(nèi)，在出口處產(chǎn)生均勻面光源照射，其出射光線被監(jiān)測探頭和待測探測器接收。當(dāng)入射光以波長λ入射到積分球產(chǎn)生均勻面光源照射時，監(jiān)視探測器此時輸出的電壓信號值為V(λ)，則光源的相對能量值Q(λ)如公式（3）所示。同時，待測量探測器輸出平均灰度值為DN(λ)。

式（3）中，R(λ)為能量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度。通過移動水平導(dǎo)軌測的光譜輻照度計的輸出值為J(λ)，則：

式（4）中，Q(λ)—監(jiān)視探測器輸出電壓信號值；V(λ)—對應(yīng)能量值；Q(λ).dark—監(jiān)視探測器暗背景電壓信號值；V(λ).dark—對應(yīng)能量值。α為比例系數(shù)，與待測量探測器到積分球光源出口的距離、角度等相關(guān)。文章第2節(jié)對待測量探測器量子效率模型進(jìn)行了分析，并且給出了待測量探測器的量子效率計算公式，聯(lián)立公式（2）和公式（4）得到待測量探測器量子效率計算公式為：

圖4 溫控算法控制流程圖Fig.4 Control flow chart of temperature control algorithm

3 溫控算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

用于紅外波段光電探測器監(jiān)視探頭紅外InGaAs G12183探測器，因其自身性能影響，其暗電流受溫度的影響較大，而且探測波段大于1.7μm的紅外InGaAs光電探測器暗電流是可見波段探測器暗電流的百倍以上。所以目前用于紅外測量的InGaAs光電探測器多為制冷型光電探測器，其自帶熱敏電阻和熱電制冷器TEC（Thermoelectric Cooler）。因此，需要設(shè)計其對應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)，以抑制其暗電流，提高其測量精度[10]。

開關(guān)控制算法是溫控控制算法的一種常用算法，是最優(yōu)時間控制的一種。如果要實(shí)現(xiàn)對探測器精確控溫的功能，則還需要開關(guān)算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。故為了提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，將控制算法改為三段式開關(guān)控制[11]如式（6）所示，其算法流程圖如圖4所示。

式（6）中，v1為t時刻控制器的輸出；vm為系統(tǒng)最大輸出；ε(k)為溫度給定值與測量值之差；ε1、ε2分別為設(shè)定的閾值。該方案采用將采集到的溫度信號由模擬開關(guān)經(jīng)AD送到溫控FPGA程序，經(jīng)過溫控FPGA芯片處理后產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動外部電路，通過控制PWM占空比，實(shí)現(xiàn)控

圖5 3種監(jiān)測探頭采集到的電壓值隨波長變化曲線圖Fig.5 Variation curve of voltage values with wavelength collected by three monitoring probes

制三極管基極電流從而控制制冷電流，驅(qū)動TEC制冷達(dá)到控溫目的。

4 能量監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)度定標(biāo)

如圖5所示為設(shè)計的能量監(jiān)測系統(tǒng)中3種監(jiān)測探頭采集到的電壓值隨波長變化曲線圖?？梢钥闯稣麄€能量監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)具備其所有設(shè)計功能，監(jiān)測系統(tǒng)波段覆蓋范圍為300nm～2400nm，其電壓信號在0V～4V變化范圍內(nèi)。

由公式（3）可知：如果要得到監(jiān)視探測器的能量值，必須知道監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度 。因此，必須對能量監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)視探測器進(jìn)行相對響應(yīng)度定標(biāo)，從而得到能量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度。

4.1 響應(yīng)度定標(biāo)原理

利用單色儀控制軟件調(diào)整濾光片輪和入射狹縫，分別對設(shè)計的能量監(jiān)測系統(tǒng)中的3個監(jiān)視探頭進(jìn)行掃描，掃描波長的間隔為10nm。監(jiān)視探測器相對響應(yīng)度定標(biāo)測試示意圖如圖6所示。

4.2 300nm～1800nm波段定標(biāo)

已知標(biāo)準(zhǔn)探測器在波長λ照明下輸出功率值Φ(λ,j)；標(biāo)準(zhǔn)探測器在暗場輸出功率值Φdark(j)；監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)視探頭在波長λ照明下輸出電壓值V(λ,i)；監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)視探頭在暗場輸出電壓值Vdark(i)；m，n為采樣數(shù)。得到監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度R(λ)計算如公式（7）所示：

圖6 相對響應(yīng)度定標(biāo)測試原理Fig.6 Relative responsivity calibration test principle

圖7 探頭一和探頭二的相對響應(yīng)度曲線Fig.7 Relative responsivity curve of probe 1 and probe 2

由公式（7）得到能量監(jiān)測系統(tǒng)探頭一和探頭二的監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度值曲線，分別如圖7（a）、圖7（b）所示。

4.3 1600nm～2400nm波段定標(biāo)

由于沒有1800nm～2400nm波段的標(biāo)準(zhǔn)探測器來對能量監(jiān)測系統(tǒng)的探頭三的監(jiān)視探測器進(jìn)行定標(biāo)，所以需要借助ASD（光譜分析儀）來完成在這一波段的定標(biāo)，得到其輻亮度曲線如圖8所示。

圖8 輻亮度曲線Fig.8 Radiance curve

圖9 相對響應(yīng)度值曲線圖Fig.9 Relative responsivity value curve

已知能量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)視探頭在波長λ照明下輸出電壓值V(λ,i)；能量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)視探頭在暗場輸出電壓值Vdark(i)；m，n為采樣數(shù)；L(λ)為輻亮度。得到能量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)視探測器的相對響應(yīng)度R(λ)計算如公式（8）所示：

由公式（8）計算得到其相對響應(yīng)度值曲線如圖9所示。通過對相對響應(yīng)度值曲線進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，并進(jìn)行插值處理，得到最終響應(yīng)度曲線如圖10所示。

圖10 二次多項(xiàng)式擬合值進(jìn)行插值后曲線Fig.10 Curve of quadratic polynomial fitting value after interpolation

5 結(jié)束語

本文首先對連續(xù)可調(diào)諧均勻單色照明光源系統(tǒng)的量子效率測量原理進(jìn)行了分析，得出了量子效率測量的方法?；谝陨戏椒ㄔO(shè)計出了能量監(jiān)測系統(tǒng)，包括用于紅外波段探測器InGaAs的溫度控制系統(tǒng)的程序設(shè)計。除此之外，還對各監(jiān)視系統(tǒng)的3個監(jiān)視探頭進(jìn)行了相對響應(yīng)度定標(biāo)保證數(shù)據(jù)的可靠性及精度。設(shè)計的光源系統(tǒng)的能量監(jiān)測系統(tǒng)，其光譜監(jiān)測范圍為300nm～2200nm，其光源能量監(jiān)測范圍為100pW～100nw，實(shí)現(xiàn)了用于光源能量監(jiān)測和量子效率的測量目的。