光電技術與試驗第2章光電探測器的校正

1、光電探測器校正技術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用v 光譜校正的主要應用12 1.光電探測器的選用原則光電探測器的選用原則 在設計光電檢測系統(tǒng)時，首先根據測量要求反復比較各種探測器的主要特性參數，然后選定最佳的器件。其中，最關心的問題有以下5個方面。(1)根據待測光信號的大小，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，需要知道所產生電信號的信噪比。(4)當

2、測量調制或脈沖光信號是，需要考慮探測器的響應時間或頻率相應范圍。(5)當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屬性光量或輻射量與探測器之間的相關屬性 實際應用中的光電探測器，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內容。 光量或輻射量與探測器之間主要有以下兒方面的相關屬性: (1)時間屬性;(2)光譜特性; (3)強度特性;(4)空間分布特性。 為使光電探

3、測器能正確反應光量的特性，就需對其進行多方面的為使光電探測器能正確反應光量的特性，就需對其進行多方面的校正。其中主要包括：對光度強弱的校正；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用v 光譜校正的主要應用45 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。這對許多測量，特別是光

4、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、化學過程的研究結果是要求找出一系列光照條件下的反應特性。于是施加的光照值必須準確給出，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，卻達不到均勻減光的目的。 (4) 對減光器偏振性的要求，當光束偏振性變化時，會使光電探測器的靈敏度發(fā)生變化。因此，在一般情況下，不應采用使偏振性發(fā)生變化的減光裝置。 (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

5、直和漫射性等。 所謂變光度就是使某輻射光束在強弱上發(fā)生變化。具體地說是將光源或目標發(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到減光的目的。有時也采用液槽內幾種材料配比的溶液進行吸收來減光。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dnnD1光束幾何位置的變化 7 當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。但后者工藝復雜、精度較差，且只能用于細光束的條件下。 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，可采用多片堆積，并通過標定來確定其衰減系數。9 (3) 篩網或多孔板篩網或多孔板 篩網用細絲編織而成，并進行黑化處理。如用不銹鋼絲織成的300目的篩網、其方形開口邊長約為40m。還可使篩網相對于光

7、軸產生不同傾斜來調整其透射比。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動，按馬呂斯定理輸出光通量,20cos偏振減光器 為適應多種場合的應用，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，轉動第二個偏振器，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現(xiàn)減光或變化反射光量。其反射比

8、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 212212sinsiniiiis212212iitgiitgp當入射為自然光時，反射比為當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 212212212212sinsin21iitgiitgiiii21212nnnn12 (7) 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

9、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生照度的距離平方反比定律，通過改變距離達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論：在上述安排的光學系統(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;按應用光學推導的物像能量關系可知，不論所成像是虛像還是實像，物的

10、亮度L0和像的亮度Li之間的關系為0LLi光電探測器校正技術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用漫射體及其在光電檢測中的應用v 光譜校正的主要應用1516 1.漫射體及漫射光源漫射體及漫射光源 廣義的講，能夠將入射光束轉變?yōu)槁漭敵龅奈矬w統(tǒng)稱漫射體，但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)光強度I為 式中， I0垂直于發(fā)光面方向上的發(fā)光強度，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中的

11、應用漫射體及其在光電檢測中的應用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?？煽剌敵龉饬康穆涔庠?物鏡系統(tǒng)雜光檢測儀原理 18 2. 漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應度方面的應用漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應度方面的應用(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 ddwwwdidAAAA19

12、 (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材料透射比的裝置。 介質透射比檢測裝置20 (2) 筒型內腔提供的均勻測量筒型內腔提供的均勻測量 筒型內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腔漫射器結構原理。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。筒型內腔式測量頭 21 (3) 內腔式探測器內腔式探測器 帶有半球反射鏡的內腔探測器，其結構如圖所示。 帶

13、半球反射鏡的內腔探測器 22 圓筒形內腔輻射計 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，構成輻射計。 圓筒形內腔輻射計 23盒式內腔輻射計 它由長方形盒構成內腔，其典型參數為：盒子尺寸102070mm3，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，周圍設置84個。響應度82mVw，時間常數8s。黑色內壁對0.252. 5m波長區(qū)域內反射比為36，而盒子入射孔的有效反射比下降到0.1以下。24錐形內腔的應用 廣泛研究與應用的錐形內腔有兩種類型：一種采用鏡面反射的內表面，就是第六章中所討論的光錐；另一種錐形內腔采用無光澤

14、內表面，大端作為入射孔，光束射到無光澤內錐面上有強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。 253 產生特殊角度響應度分布的漫射體產生特殊角度響應度分布的漫射體 (1) 照度測量中探測器的余弦修正照度測量中探測器的余弦修正 當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還與接收面法線與中心光線之間的夾角有關。設光源強度為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?？梢娊邮彰嬲斩扰c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。但大多數探測器表面，以及因工作需要在探測器前附加

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 利用積分球進行余弦修正 27 對于擴展光源來說，產生總誤差的計算還與面光源的亮度分布L(、)有關。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，所產生的總誤差2由下式給出 dLdLcos,cos,12 對半球天空,當L(,)=L()，即與無關時，有 當天空擴展源亮度不變時, , 有 當天空為多云時， dLdL2sin2sin1

16、2 constL090012sind d2sin085012 cos21031LL dd2sincos212sincos211228(2) 標量輻射照度的測量標量輻射照度的測量 所謂標量照度是用以標定來自全方位進入某小體積的總通量，也就是說用相等的權，積分來自4立體角中的通量，所以又稱球形照度。如圖所示為標量照度計的典型結構。 標量照度計 光電探測器校正技術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用v 光譜校正的主要應用光譜校正的主要應用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，呈不對稱的鐘形分布，短波截止較快，

17、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之間，當要求色溫在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 光譜校正的主要應用光譜校正的主要應用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) 光電器件視見函數的校正光電器件視見函數的校正 在用光電器件

18、代替人眼進行光度測量時，由于探側器光譜特性與人眼視見函數之間的差異，與待測光源間將有不同的光譜匹配系數，將造成光度測量的誤差。為此，必須將所用探測器經光譜校正，獲得盡可能與視見函數一致的光譜待性。 視見函數的校正 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行校正，使之在規(guī)定光譜范圍內，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 在許多光生物化學的過程中，所需測定的不是光的通量，而是光的量子數。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成正比，則應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 ,不同波長所對應的光子能量為 hc34 可見，光輻射通量相等而波長不同時，短波對應的光子數少,而長波對應的光子數多。因此，光子型光譜特性應按圖所示的實線進行校正。由于實際校正中的困難，如能按虛線進行校正也就可以了。 光子型光譜曲線 352. 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