光電技術(shù)與試驗(yàn)第2章光電探測(cè)器的校正

1、光電探測(cè)器校正技術(shù)v 光電探測(cè)器校正概述光電探測(cè)器校正概述v 變光度的實(shí)現(xiàn)v 漫射體及其在光電檢測(cè)中的應(yīng)用v 光譜校正的主要應(yīng)用12 1.光電探測(cè)器的選用原則光電探測(cè)器的選用原則 在設(shè)計(jì)光電檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)測(cè)量要求反復(fù)比較各種探測(cè)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(gè)方面。(1)根據(jù)待測(cè)光信號(hào)的大小，確定探測(cè)器能輸出多大的電信號(hào)，即探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍。(2)探測(cè)器的光譜相應(yīng)范圍是否同待測(cè)光信號(hào)的相對(duì)光譜功率分布一致，即探測(cè)器和光源的光譜匹配。(3)對(duì)某種探測(cè)器，它能探測(cè)的極限功率或最小分辨率是多少需要知道探測(cè)器的等效噪聲功率，需要知道所產(chǎn)生電信號(hào)的信噪比。(4)當(dāng)

2、測(cè)量調(diào)制或脈沖光信號(hào)是，需要考慮探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或頻率相應(yīng)范圍。(5)當(dāng)測(cè)量的光信號(hào)幅值變化時(shí)，探測(cè)器輸出的信號(hào)的線性程度。除上述幾個(gè)問題外，還要考慮探測(cè)器的穩(wěn)定性、測(cè)量精度、測(cè)量方式等因素3 2. 光量或輻射量與探測(cè)器之間的相關(guān)屬性光量或輻射量與探測(cè)器之間的相關(guān)屬性 實(shí)際應(yīng)用中的光電探測(cè)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(xiàng)重要的技術(shù)內(nèi)容。 光量或輻射量與探測(cè)器之間主要有以下兒方面的相關(guān)屬性: (1)時(shí)間屬性;(2)光譜特性; (3)強(qiáng)度特性;(4)空間分布特性。 為使光電探

3、測(cè)器能正確反應(yīng)光量的特性，就需對(duì)其進(jìn)行多方面的為使光電探測(cè)器能正確反應(yīng)光量的特性，就需對(duì)其進(jìn)行多方面的校正。其中主要包括：對(duì)光度強(qiáng)弱的校正；對(duì)光束漫射的校正；光譜校正。其中主要包括：對(duì)光度強(qiáng)弱的校正；對(duì)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(cè)器校正技術(shù)v 光電探測(cè)器校正概述v 變光度的實(shí)現(xiàn)變光度的實(shí)現(xiàn)v 漫射體及其在光電檢測(cè)中的應(yīng)用v 光譜校正的主要應(yīng)用45 1.變光度的必要性變光度的必要性變光度的實(shí)現(xiàn)變光度的實(shí)現(xiàn)2. 對(duì)減光手段的基本要求對(duì)減光手段的基本要求 (1) 要求減光器無選擇性，光束經(jīng)衰減后不改變本身的光譜成份比，即光束各光譜成份按相同比例衰減。這對(duì)許多測(cè)量，特別是光

4、度印色度的測(cè)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(duì)某些場(chǎng)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(duì)減光器偏振性的要求，當(dāng)光束偏振性變化時(shí)，會(huì)使光電探測(cè)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)生變化的減光裝置。 (5) 對(duì)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)

5、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(cè)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(shí)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(duì)光束特性有一定影響，在會(huì)聚光路中，垂直光軸插入平板時(shí)，會(huì)引起成像點(diǎn)的縱向位移。位移量D的大小為dnnD1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(shí)，還要引起像點(diǎn)的橫向位移。橫向位移量L為21222s

6、insin11sinndL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 (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(zhǎng)約為40m。還可使篩網(wǎng)相對(duì)于光

7、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(shí)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(gè)偏振器不動(dòng)，第二個(gè)偏振器繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，按馬呂斯定理輸出光通量,20cos偏振減光器 為適應(yīng)多種場(chǎng)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偏振器主方向不變且平行，轉(zhuǎn)動(dòng)第二個(gè)偏振器，輸出光通量為40cos11 (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(shí)現(xiàn)減光或變化反射光量。其反射比

8、可用費(fèi)涅耳公式精確計(jì)算，對(duì)于垂直入射面振動(dòng)的光束反射比s為 對(duì)于平行入射面振動(dòng)的光束反射比p為 212212sinsiniiiis212212iitgiitgp當(dāng)入射為自然光時(shí)，反射比為當(dāng)光束垂直于界面入射時(shí)，反射比可由簡(jiǎn)化的費(fèi)涅耳公式給出 212212212212sinsin21iitgiitgiiii21212nnnn12 (7) 漫反射減光器漫反射減光器 利用漫射表面對(duì)光束的漫反射，而獲得對(duì)入射輻射的衰減。下圖所示為利用朗伯漫射面P對(duì)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

9、方法(1) 光軌法變照度的原理及特點(diǎn)光軌法變照度的原理及特點(diǎn) 光軌法是計(jì)量部門作為光度傳遞的基本方法。利用點(diǎn)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 2rIE 14 (2) 虛像法變照度的研究虛像法變照度的研究 虛像法連續(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(dòng)時(shí)，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(shí)像，物的

10、亮度L0和像的亮度Li之間的關(guān)系為0LLi光電探測(cè)器校正技術(shù)v 光電探測(cè)器校正概述v 變光度的實(shí)現(xiàn)v 漫射體及其在光電檢測(cè)中的應(yīng)用漫射體及其在光電檢測(cè)中的應(yīng)用v 光譜校正的主要應(yīng)用1516 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，但是為了計(jì)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(shí)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。cos0II 漫射體及其在光電檢測(cè)中的

11、應(yīng)用漫射體及其在光電檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)；以及積分球。輸出漫射光量的大小，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀出。右圖所示為物鏡系統(tǒng)雜光測(cè)試儀的原理圖。它也利用積分球作為漫射光源。可控輸出光量的漫射光源 物鏡系統(tǒng)雜光檢測(cè)儀原理 18 2. 漫射體在實(shí)現(xiàn)探測(cè)器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用漫射體在實(shí)現(xiàn)探測(cè)器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用(1) 積分球提供的均勻測(cè)量積分球提供的均勻測(cè)量 如圖所示為一種利用積分球使探測(cè)器對(duì)入射輻射均勻測(cè)量的裝置原理。探測(cè)器接收到的光通量d與入射通量i之比為 積分球均勻測(cè)光器 ddwwwdidAAAA19

12、 (1) 積分球提供的均勻測(cè)量積分球提供的均勻測(cè)量 下圖所示為利用激光測(cè)定介質(zhì)材料透射比的裝置。 介質(zhì)透射比檢測(cè)裝置20 (2) 筒型內(nèi)腔提供的均勻測(cè)量筒型內(nèi)腔提供的均勻測(cè)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(cè)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(cè)量頭 21 (3) 內(nèi)腔式探測(cè)器內(nèi)腔式探測(cè)器 帶有半球反射鏡的內(nèi)腔探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 帶

13、半球反射鏡的內(nèi)腔探測(cè)器 22 圓筒形內(nèi)腔輻射計(jì) 它由黑色圓形底板和幾個(gè)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(gè)熱電偶，構(gòu)成輻射計(jì)。 圓筒形內(nèi)腔輻射計(jì) 23盒式內(nèi)腔輻射計(jì) 它由長(zhǎng)方形盒構(gòu)成內(nèi)腔，其典型參數(shù)為：盒子尺寸102070mm3，在盒子面積為1020mm2的一個(gè)端面上開919mm2的入射孔。底部安排四個(gè)熱電偶，周圍設(shè)置84個(gè)。響應(yīng)度82mVw，時(shí)間常數(shù)8s。黑色內(nèi)壁對(duì)0.252. 5m波長(zhǎng)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

14、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(cè)器的光通量接收。 253 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(cè)量中探測(cè)器的余弦修正照度測(cè)量中探測(cè)器的余弦修正 當(dāng)光束照射某接收面時(shí)，面上照度不僅與發(fā)光點(diǎn)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(shí)為EI/L2；如圖(b)所示時(shí)為EIcos/L2?？梢娊邮彰嬲斩扰c入射角的余弦成正比。如果探測(cè)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(cè)器表面，以及因工作需要在探測(cè)器前附加

15、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。 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(duì)于擴(kuò)展光源來說，產(chǎn)生總誤差的計(jì)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(duì)偏差的探測(cè)器測(cè)量時(shí)，所產(chǎn)生的總誤差2由下式給出 dLdLcos,cos,12 對(duì)半球天空,當(dāng)L(,)=L()，即與無關(guān)時(shí)，有 當(dāng)天空擴(kuò)展源亮度不變時(shí), , 有 當(dāng)天空為多云時(shí)， dLdL2sin2sin1

16、2 constL090012sind d2sin085012 cos21031LL dd2sincos212sincos211228(2) 標(biāo)量輻射照度的測(cè)量標(biāo)量輻射照度的測(cè)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(jì)的典型結(jié)構(gòu)。 標(biāo)量照度計(jì) 光電探測(cè)器校正技術(shù)v 光電探測(cè)器校正概述v 變光度的實(shí)現(xiàn)v 漫射體及其在光電檢測(cè)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2930(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(duì)稱的鐘形分布，短波截止較快，

17、長(zhǎng)波延伸較長(zhǎng)。作為發(fā)光光譜校正的一個(gè)例子是高色溫光源的獲得。一般白熾燈的色溫約在22003000K之間，當(dāng)要求色溫在3000K或4000K以上時(shí)，要求燈絲溫度很高，一般難以實(shí)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(gè)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(cè)量的光源時(shí)，各波長(zhǎng)發(fā)出的通量相差很大，這就要求光電探測(cè)器、電子線路和顯示器等都有很寬的線性工作范圍，有時(shí)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

18、代替人眼進(jìn)行光度測(cè)量時(shí)，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(cè)光源間將有不同的光譜匹配系數(shù)，將造成光度測(cè)量的誤差。為此，必須將所用探測(cè)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(cè)器模仿非選擇性探測(cè)器 在有些光度量檢測(cè)中，如測(cè)定通量，采用非選擇性探測(cè)器測(cè)量就很方便。但是，常用的非選擇性熱電探測(cè)器存在著反應(yīng)慢和靈敏 度低的缺點(diǎn)，為此，可采用光電探測(cè)器，但必須對(duì)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(cè)器。(4) 光子探測(cè)器的光譜校正光子探測(cè)器的光譜校正 在許多光生物化學(xué)的過程中，所需測(cè)定的不是光的通量，而是光的量子數(shù)。非選擇性探測(cè)器可直接測(cè)定入射光輻射的通量，而要使它的輸出信號(hào)與入射光于數(shù)成正比，則應(yīng)將探測(cè)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(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的光子能量為 hc34 可見，光輻射通量相等而波長(zhǎng)不同時(shí)，短波對(duì)應(yīng)的光子數(shù)少,而長(zhǎng)波對(duì)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(shí)線進(jìn)行校正。由于實(shí)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 352. 光譜校正的評(píng)價(jià)光譜校正的評(píng)價(jià)(1)均方根偏差均方根偏差(2)相對(duì)均方根偏差相對(duì)均方根偏差(3)相對(duì)偏差相對(duì)偏差 (4