光電技術(shù)與試驗 第2章 光電探測器的校正

1、光電探測器校正技術(shù) v 光電探測器校正概述光電探測器校正概述 v 變光度的實現(xiàn) v 漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用 v 光譜校正的主要應(yīng)用 1 2 1.光電探測器的選用原則光電探測器的選用原則 在設(shè)計光電檢測系統(tǒng)時，首先根據(jù)測量要求反復(fù)比較各種探測器的 主要特性參數(shù)，然后選定最佳的器件。其中，最關(guān)心的問題有以下5個 方面。 (1)根據(jù)待測光信號的大小，確定探測器能輸出多大的電信號，即探測器 的動態(tài)范圍。 (2)探測器的光譜相應(yīng)范圍是否同待測光信號的相對光譜功率分布一致， 即探測器和光源的光譜匹配。 (3)對某種探測器，它能探測的極限功率或最小分辨率是多少需要知 道探測器的等效噪聲功率，需要知道所

2、產(chǎn)生電信號的信噪比。 (4)當(dāng)測量調(diào)制或脈沖光信號是，需要考慮探測器的響應(yīng)時間或頻率相應(yīng) 范圍。 (5)當(dāng)測量的光信號幅值變化時，探測器輸出的信號的線性程度。 除上述幾個問題外，還要考慮探測器的穩(wěn)定性、測量精度、測量方式等 因素 3 2. 光量或輻射量與探測器之間的相關(guān)屬性光量或輻射量與探測器之間的相關(guān)屬性 實際應(yīng)用中的光電探測器，由于本身的靈敏度、光譜特性、光特 性、均勻性等方面的不同，以及它們所接收光束在強(qiáng)度、方向、光譜 和偏振等特性上的差異，所以討論兩者間如何合理有效地匹配是一項 重要的技術(shù)內(nèi)容。 光量或輻射量與探測器之間主要有以下兒方面的相關(guān)屬性: (1)時間屬性;(2)光譜特性; (

3、3)強(qiáng)度特性;(4)空間分布特性。 為使光電探測器能正確反應(yīng)光量的特性，就需對其進(jìn)行多方面的為使光電探測器能正確反應(yīng)光量的特性，就需對其進(jìn)行多方面的 校正。其中主要包括：對光度強(qiáng)弱的校正；對光束漫射的校正；光譜校正。其中主要包括：對光度強(qiáng)弱的校正；對光束漫射的校正；光譜 特性的校正等。特性的校正等。 光電探測器校正技術(shù) v 光電探測器校正概述 v 變光度的實現(xiàn)變光度的實現(xiàn) v 漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用 v 光譜校正的主要應(yīng)用 4 5 1.變光度的必要性變光度的必要性 變光度的實現(xiàn)變光度的實現(xiàn) 2. 對減光手段的基本要求對減光手段的基本要求 (1) 要求減光器無選擇性，光束經(jīng)衰減后不改變本身

4、的光譜成份比， 即光束各光譜成份按相同比例衰減。這對許多測量，特別是光度印色度 的測量將十分重要。 (2) 要求減光器能精確地控制衰減量，光照下許多物理、化學(xué)過程的 研究結(jié)果是要求找出一系列光照條件下的反應(yīng)特性。于是施加的光照值 必須準(zhǔn)確給出，因此分段或連續(xù)減光器的衰減量就需精確控制。 (3) 要求減光器輸出光束的幾何形狀，這對某些場合十分必要。如要 求均勻減弱某照射面上的照度，而企圖用可變光闌減光，雖然總光量得 到衰減，但這只改變了光束的截面，卻達(dá)不到均勻減光的目的。 (4) 對減光器偏振性的要求，當(dāng)光束偏振性變化時，會使光電探測器 的靈敏度發(fā)生變化。因此，在一般情況下，不應(yīng)采用使偏振性發(fā)生

5、變化 的減光裝置。 (5) 對減光器的其它要求，這些要求如可變光度的范圍、連續(xù)性、準(zhǔn) 直和漫射性等。 所謂變光度就是使某輻射光束在強(qiáng)弱上發(fā)生變化。具體地說是將光源 或目標(biāo)發(fā)出的光束利用衰減的手段，使光量滿足探測接收的需要。 6 3.一般變光度的方法一般變光度的方法 (1) 吸收濾光片吸收濾光片 它用有一定吸收的玻璃、塑料或明膠片制成，是依靠吸收部分入射輻射 達(dá)到減光的目的。有時也采用液槽內(nèi)幾種材料配比的溶液進(jìn)行吸收來減光。 此外，照相底片的黑化乳膠等也屬這類減光器。 平板式減光器對光束特性有一定影響，在會聚光路中，垂直光軸插入平 板時，會引起成像點的縱向位移。位移量D的大小為 d n n D

6、1 光束幾何位置的變化 7 當(dāng)插入光路的平板與光軸不垂直時，還要引起像點的橫向位移。 橫向位移量L為 2 1 22 2 sin sin1 1sin n dL 光束的橫向位移 8 (2) 薄膜濾光片相射線分離器薄膜濾光片相射線分離器 這類減光器是在玻璃或與其類似的襯底上形成多層介質(zhì)膜或 金屬薄膜，通過膜層的增反干涉或反射使透射輻射得到衰減。這類 減光器可以制成整片均勻衰減的形式，也可制成透射比隨位置不同 而連續(xù)變化衰減的形式。但后者工藝復(fù)雜、精度較差，且只能用于 細(xì)光束的條件下。 這類減光器透射比的精度與玻璃濾光器類似。為 獲得大的衰減系數(shù)，可采用多片堆積，并通過標(biāo)定來確定其衰減系 數(shù)。 9 (

7、3) 篩網(wǎng)或多孔板篩網(wǎng)或多孔板 篩網(wǎng)用細(xì)絲編織而成，并進(jìn)行黑化處理。如用不銹鋼絲織成的300目 的篩網(wǎng)、其方形開口邊長約為40m。還可使篩網(wǎng)相對于光軸產(chǎn)生不同傾 斜來調(diào)整其透射比。也可在金屬板上用腐蝕法制成多孔板型式的減光器。 (4) 膜片光闌或狹縫膜片光闌或狹縫 是用固定的或可變的圓孔光闌或狹縫組成，通過改變射束的橫截面 積實現(xiàn)減光。 10 (5) 偏振減光器偏振減光器 這類減光器可用兩偏振器構(gòu)成，如圖4-3(a)所示。第一個偏振器不動， 第二個偏振器繞光軸轉(zhuǎn)動，按馬呂斯定理輸出光通量, 2 0 cos 偏振減光器 為適應(yīng)多種場合的應(yīng)用，可 采用圖4-3(b)所示的三偏振器系 統(tǒng)，P1和p3

8、偏振器主方向不變且 平行，轉(zhuǎn)動第二個偏振器，輸出 光通量為 4 0 cos 11 (6) 鏡面反射器鏡面反射器 利用玻璃或石英的拋光表面通過鏡面反射可實現(xiàn)減光或變化反射光 量。其反射比可用費涅耳公式精確計算，對于垂直入射面振動的光束反射 比s為 對于平行入射面振動的光束反射比p為 21 2 21 2 sin sin ii ii s 21 2 21 2 iitg iitg p 當(dāng)入射為自然光時，反射比為 當(dāng)光束垂直于界面入射時，反射比可由簡化的費涅耳公式給出 21 2 21 2 21 2 21 2 sin sin 2 1 iitg iitg ii ii 2 12 12 nn nn 12 (7)

9、漫反射減光器漫反射減光器 利用漫射表面對光束的漫反射，而獲得對入射輻射的衰減。下 圖所示為利用朗伯漫射面P對入射光通量1，衰減為出射光通量2 的過程。 2 21 1(A(A2 2rr2 2)cos)cos 漫反射減光器 13 4. 精確連續(xù)變照度的方法精確連續(xù)變照度的方法 (1) 光軌法變照度的原理及特點光軌法變照度的原理及特點 光軌法是計量部門作為光度傳遞的基本方法。利用點光源在接收 面處產(chǎn)生照度的距離平方反比定律，通過改變距離達(dá)到改變接收面照 度的目的。其裝置原理如圖所示。 光軌示意圖 光源在接收面處形成的照度E為 2 r I E 14 (2) 虛像法變照度的研究虛像法變照度的研究 虛像法

10、連續(xù)變照度的原理如圖所示。 虛像法變照度系統(tǒng)光路 由此可以得到以下結(jié)論： 在上述安排的光學(xué)系統(tǒng)中，不論物在何處，像高與物高之比 始終不變，且等于兩透鏡焦距之比; 當(dāng)物沿光軸移動時，像距與物距之比也不變，且等于兩焦距 平方之比; 按應(yīng)用光學(xué)推導(dǎo)的物像能量關(guān)系可知，不論所成像是虛像還 是實像，物的亮度L0和像的亮度Li之間的關(guān)系為 0 LLi 光電探測器校正技術(shù) v 光電探測器校正概述 v 變光度的實現(xiàn) v 漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用 v 光譜校正的主要應(yīng)用 15 16 1.漫射體及漫射光源漫射體及漫射光源 廣義的講，能夠?qū)⑷肷涔馐D(zhuǎn)變?yōu)槁漭敵龅奈矬w統(tǒng)稱漫射體， 但

11、是為了計算及使用方便，希望漫射體的發(fā)光盡可能符合朗伯體的輻 射規(guī)律。即在任何方向上發(fā)光亮度相等，由此可知它在空間某方向上 的發(fā)光強(qiáng)度I為 式中， I0垂直于發(fā)光面方向上的發(fā)光強(qiáng)度，I某方向與發(fā)光面法 線間的夾角。 實用中的漫射體主要有內(nèi)度式漫射體、透射式漫射體和反射式漫 射體等三類。 cos 0 II 漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用 17 左圖是輸出光可監(jiān)控的漫射光源，主要由三部分組成：光源和減光系 統(tǒng)構(gòu)成的變光度系統(tǒng)；照度接收器等組成的光度監(jiān)測系統(tǒng)；以及積分 球。輸出漫射光量的大小，由監(jiān)測系統(tǒng)讀出。右圖所示為物鏡系統(tǒng)雜 光測試儀的原理圖。它也利用積分球作為漫射光源。

12、 可控輸出光量的漫射光源 物鏡系統(tǒng)雜光檢測儀原理 18 2. 漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用 (1) 積分球提供的均勻測量積分球提供的均勻測量 如圖所示為一種利用積分球使探測器對入射輻射均勻測量的裝置 原理。探測器接收到的光通量d與入射通量i之比為 積分球均勻測光器 ddww wd i d AAA A 19 (1) 積分球提供的均勻測量積分球提供的均勻測量 下圖所示為利用激光測定介質(zhì)材料透射比的裝置。 介質(zhì)透射比檢測裝置 20 (2) 筒型內(nèi)腔提供的均勻測量筒型內(nèi)腔提供的均勻測量 筒型內(nèi)腔式漫射器是由高反射的圓筒和兩端兩塊漫射片組成。下 圖所示為配

13、在光電倍增管前的內(nèi)腔漫射器結(jié)構(gòu)原理。為適用于可見和 近紅外光譜區(qū)，圓柱可用鋁陶土，兩端可用2mm厚的乳白玻璃片組成， 其傳光效率可達(dá)15左右。該裝置也可與其它光電探測器配用。為消 除因光束入射角不同，而使第一玻片反射不同所帶來的誤差，入射光 束最好能接近垂直。 筒型內(nèi)腔式測量頭 21 (3) 內(nèi)腔式探測器內(nèi)腔式探測器 帶有半球反射鏡的內(nèi)腔探測器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 帶半球反射鏡的內(nèi)腔探測器 22 圓筒形內(nèi)腔輻射計 它由黑色圓形底板和幾個可伸縮重疊的黑色圓環(huán)組成。在底部及 環(huán)形外部裝有多個熱電偶，構(gòu)成輻射計。 圓筒形內(nèi)腔輻射計 23 盒式內(nèi)腔輻射計 它由長方形盒構(gòu)成內(nèi)腔，其典型參數(shù)為：盒子尺寸 1

14、02070mm3，在盒子面積為1020mm2的一個端面上開 919mm2的入射孔。底部安排四個熱電偶，周圍設(shè)置84個。響應(yīng) 度82mVw，時間常數(shù)8s。黑色內(nèi)壁對0.252. 5m波長區(qū)域內(nèi)反 射比為36，而盒子入射孔的有效反射比下降到0.1以下。 24 錐形內(nèi)腔的應(yīng)用 廣泛研究與應(yīng)用的錐形內(nèi)腔有兩種類型：一種采用鏡面反 射的內(nèi)表面，就是第六章中所討論的光錐；另一種錐形內(nèi)腔采 用無光澤內(nèi)表面，大端作為入射孔，光束射到無光澤內(nèi)錐面上 有強(qiáng)烈向小端漫射的功能，從而起到集光作用，增加置于小端 探測器的光通量接收。 25 3 產(chǎn)生特殊角度響應(yīng)度分布的漫射體產(chǎn)生特殊角度響應(yīng)度分布的漫射體 (1) 照度測

15、量中探測器的余弦修正照度測量中探測器的余弦修正 當(dāng)光束照射某接收面時，面上照度不僅與 發(fā)光點到該面中心的距離有關(guān)還與接收面法 線與中心光線之間的夾角有關(guān)。設(shè)光源強(qiáng)度為 I，受光面照度E如圖(a)所示時為EI/L2；如 圖(b)所示時為EIcos/L2?？梢娊邮彰嬲斩?與入射角的余弦成正比。如果探測器能將不同 角度的入射通量全部接收，那么就必然符合余 弦規(guī)律。但大多數(shù)探測器表面，以及因工作需 要在探測器前附加的各種校正器均具有光潔的 表面。 照度的余弦修正 26 下面是一些余弦修正的方案。左圖所示為采用乳白玻璃的修正器,右圖 (a)、(b)、(c)中，給出了三種利用積分球構(gòu)成余弦修正器的方案。

16、圖4-116 乳白玻璃修正器 圖4-117 利用積分球進(jìn)行余弦修正 27 對于擴(kuò)展光源來說，產(chǎn)生總誤差的計算還與面光源的亮度分布 L(、)有關(guān)。其中是入射角，是從參考入射面算起，各入射面的 方位角。利用具有1()相對偏差的探測器測量時，所產(chǎn)生的總誤差2 由下式給出 dL dL cos, cos, 1 2 對半球天空,當(dāng)L(,)=L()，即與無關(guān)時，有 當(dāng)天空擴(kuò)展源亮度不變時, , 有 當(dāng)天空為多云時， dL dL 2sin 2sin 1 2 constL 0 90 0 12sind d2sin 0 85 0 12 cos210 3 1 LL d d 2sincos21 2sincos21 1

17、2 28 (2) 標(biāo)量輻射照度的測量標(biāo)量輻射照度的測量 所謂標(biāo)量照度是用以標(biāo)定來自全方位進(jìn)入某小體積的總通量， 也就是說用相等的權(quán)，積分來自4立體角中的通量，所以又稱球形 照度。如圖所示為標(biāo)量照度計的典型結(jié)構(gòu)。 標(biāo)量照度計 光電探測器校正技術(shù) v 光電探測器校正概述 v 變光度的實現(xiàn) v 漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用 v 光譜校正的主要應(yīng)用光譜校正的主要應(yīng)用 29 30 (1) 光源發(fā)光光譜的校正光源發(fā)光光譜的校正 這里主要是指熱光源，其光譜分布與黑體類似，呈不對稱的鐘形分 布，短波截止較快，長波延伸較長。作為發(fā)光光譜校正的一個例子是高 色溫光源的獲得。一般白熾燈的色溫約在22003000K之

18、間，當(dāng)要求色溫 在3000K或4000K以上時，要求燈絲溫度很高，一般難以實現(xiàn)。通過附加 校正濾光片，可滿足這一要求，如圖所示。 發(fā)光光譜的校正 光譜校正的主要應(yīng)用光譜校正的主要應(yīng)用 31 作為發(fā)光光譜校正的另一個例子是使光譜均勻化。用白熾燈作為光 學(xué)過程光譜特性測量的光源時，各波長發(fā)出的通量相差很大，這就要求 光電探測器、電子線路和顯示器等都有很寬的線性工作范圍，有時很難 做到。為解決這一矛盾、可采用下圖所示的光譜校正方法。 光譜校平 32 (2) 光電器件視見函數(shù)的校正光電器件視見函數(shù)的校正 在用光電器件代替人眼進(jìn)行光度測量時，由于探側(cè)器光譜特性與人 眼視見函數(shù)之間的差異，與待測光源間將有

19、不同的光譜匹配系數(shù)，將造 成光度測量的誤差。為此，必須將所用探測器經(jīng)光譜校正，獲得盡可能 與視見函數(shù)一致的光譜待性。 視見函數(shù)的校正 33 (3) 模仿非選擇性探測器模仿非選擇性探測器 在有些光度量檢測中，如測定通量，采用非選擇性探測器測量就很 方便。但是，常用的非選擇性熱電探測器存在著反應(yīng)慢和靈敏 度低的缺 點，為此，可采用光電探測器，但必須對其光譜特性進(jìn)行校正，使之在 規(guī)定光譜范圍內(nèi)，成為靈敏度較高的非選擇性探測器。 (4) 光子探測器的光譜校正光子探測器的光譜校正 在許多光生物化學(xué)的過程中，所需測定的不是光的通量，而是光的 量子數(shù)。非選擇性探測器可直接測定入射光輻射的通量，而要使它的輸 出信號與入射光于數(shù)成正比，則應(yīng)將探測器光譜特性校正成光子型特性。 所謂光子型光譜曲線是指它的光譜靈敏度按光子能量的倒數(shù) ,不同波長 所對應(yīng)的光子能量為 hc 34 可見，光輻射通量相等而波長不同時，短波對應(yīng)的光子數(shù)少,而長波 對應(yīng)的光子數(shù)多。因此，光子型光譜特性應(yīng)按圖所示的實線進(jìn)行校正。 由于實際校正中的困難，如能按虛線進(jìn)行校正也就可以了。 光子型光譜曲線 35 2. 光譜校正的評價光譜校正的評價 (1)均方根偏差均方根偏差 (2)相對均方根偏差相對均方根偏差 (3)相對偏差相對偏差 (4)與