Solar-Blind滤光片可见光谱段光密度连续测量

Solar-Blind滤光片可见光谱段光密度连续测量
易翔宇;周跃;闫丰;章明朝;陈雪;崔穆涵
【摘要】为实现Solar-Blind(日盲紫外)滤光片光密度在可见光谱段的高精度连续测试,搭建了以氙灯配合单色仪作为光源、使用单光子计数器作为探测器的测试系统,并对该系统的误差进行分析.系统主要装置有氙灯与单色仪组合的光源,标准衰减装置和单光子计数器;以替代法为基础进行测试,将由单光子计数器探测到的衰减后的计数值作为参考计数值替代光源的初始计数值,通过运算得到滤光片的可见光谱段光密度;该测试系统将滤光片光密度的测试动态范围扩展到0～-11OD,实现了可见光谱段内进行连续光谱测量的功能,且降低了系统的测试误差.与使用窄带LED作为光源的测试系统相比,测试不确定度由2％降低至0.5％,相对重复性误差由0.2％降低至0.13％.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2016(037)004
【总页数】5页(P573-577)
【关键词】紫外探测;滤光片;带外截止深度;大动态范围;单光子计数器
【作者】易翔宇;周跃;闫丰;章明朝;陈雪;崔穆涵
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130000
【正文语种】中文
【中图分类】TN23;TN386.5
随着日盲紫外探测技术应用的日益深入[1-2],其在空间目标的观测 [3] 和高压电线电晕的检测[4] 等领域发挥了重要作用。

日盲紫外探测的优势在于其所收集的谱段在地表空域十分微弱，这是由于大气层的吸收及散射造成的。

因此，当该空域内辐射240 nm～280 nm谱段光的标示物出现时，即可在极其微弱的背景下将其检测出来。

日盲紫外滤光片的主要作用[5]是在透过240 nm～280 nm辐射的同时，消除其他光谱辐射,尤其是350 nm～800 nm可见光辐射对探测系统的干扰[6]，使其可以更好地对240 nm～280 nm谱段光进行探测。

为达到此目标，日盲紫外滤光片在350 nm～800 nm范围内的光密度往往需要达到10-OD以上，这对该谱段光密度的测试提出了相当高的要求。

目前针对滤光片光密度测量[7-9]的仪器主要有光谱仪[10-13]和窄带LED测试装置[14]等。

其中，光谱仪仅能测量光密度小于6-OD的样品，无法满足目前待测片光密度高于10-OD的测试需求。

崔穆涵等人于2014年设计了基于高功率LED的测试装置，该装置利用多个毫瓦级别的LED，配合光电倍增管和衰减片等，将滤光片带外光密度的测量范围提高到10-OD。

但受LED数量及带宽的限制，该系统无法对可见光谱段截止光密度进行连续测量，且LED带宽还会引入较大的测试误差，影响测试结果的准确性。

本文针对上述系统的缺陷，利用单光子计数器灵敏度极高的优势，建立了单色仪配合氙灯作为光源，单光子计数器作为信号接收单元的高精度光密度测试装置，配合已知衰减比率的衰减装置测量测试样片的带外光密度。

该装置涵盖谱段宽、测试不确定度低且可对任意波长进行连续测量，可较好地满足目前日盲紫外滤光片带外光密度的测试需求。

1.1 系统装置原理
高精密滤光片连续光谱光密度测试系统采用单色仪配合氙灯作为光源，照射单光子计数器，分别将待测样片和已知衰减比例的反射衰减片置于单光子计数器前，测量单光子计数系统的输出计数值并将它作为待用计数值和对比计数值，以此间接获得滤光片的光密度。

实验装置示意图如图1所示。

采用单色仪配合氙灯作为光源，可实现350 nm～800 nm谱段的连续覆盖，同时单色仪出射光带宽仅为0.1 nm，不会由于带宽过宽而引入测试误差。

使用单光子计数器作为探测器是因为待测片可见光谱段光密度往往达到10-OD，而单色仪输出光功率往往较低，会导致衰减10-10后的光强过于微弱。

若使用普通连续输出型光电倍增管则会导致输出信号信噪比过低，影响测试结果的准确性。

本系统选用ET公司的单光子计数器，图3为其线性响应曲线。

测试系统输出光功率为10-5 W/nm左右。

由图3可知，即使通过光密度10-OD的样片变为10-15 W，单光子计数器仍可对其进行准确的测量。

如果单色仪与单光子计数器间无衰减装置，单色仪输出10-5W级别的光强会使单光子计数器输出饱和。

故在测试过程中，使用已知衰减比例的衰减装置，将衰减后的光源代替单色仪输出光来进行实验。

采用多片组合式反射衰减器，光线经过多片反射式衰减片后，达到高倍衰减的目的。

与常用的透射式衰减片相比，该衰减器不仅不会对光束像质造成影响，其衰减系数的测量也更加简单。

衰减器结构与单片衰减系数如图4和图5所示。

衰减器透过率τ与单片衰减片透过率τ′关系如下式所示：
τs=τ′N
式中n为衰减片片数。

在测试过程中，可根据需要改变衰减片的片数，保持单光子计数器的输入信号处于其线性响应区内。

同时，为提高照射衰减器与照射待测样片的光子计数值相互比对的精确性，可通过调节组合衰减装置中标准片的数量，使
2次光子计数值的数量级相同。

整套设备置于暗室之中，以减少环境杂光的影响。

单色仪输出光使用透镜进行准直后，分别通过滤光片和衰减器，最终使用单光子计数器测量衰减后的光强。

1.2 系统测试原理
假设光源辐射强度为φs，透过待测样片后辐射强度为φf，则待测样片的光密度τf：同理，衰减器的光密度τa为
联立(1)、(2)、(3)式，可得待测滤光片的光密度τc为
式中：φs与φt分别表示照射滤光片后与照射衰减器后单光子计数器接收的光强；Qt与Qs表示光源照射待测样片后与照射衰减器后单光子计数器测得的光子计数值。

2.1 实验步骤
实验步骤如下：
1) 对单色仪出射光进行准直处理，调节单光子探测器探头至合适位置，保证进入
衰减器与滤光片后的光线能完全被探头接收。

2) 将待测滤光片置于探测器探头前方，记录单光子计数器读数Qf。

3) 将反射式衰减器置于单光子探测器探头前方，记录每个波长单光子计数器的读
数Qa。

4) 遮挡单色仪出口，记录此时单光子探测器计数值Qnoise。

5) 调节单色仪出光的波长，调节步进为1 nm，重复步骤2)和3) ，直至完成对350 nm～800 nm的连续扫描。

至此，将测试数据代入公式(4)，可得到滤光片350 nm～800 nm光谱范围的光密度τf。

2.2 实验结果
对以色列superb电晕探测仪内部的日盲紫外滤光片进行测试，结果如图5所示。

对系统的误差分析可从不确定度和可复现性两方面进行。

3.1 不确定度分析
实验不确定度主要来源如下：
1) 标准衰减片反射率的不确定度≈0.1%。

2) 单光子计数器的响应误差：主要由单光子计数器自身B类不确定度导致。

实验所用的单光子计数器B类不确定度为0.5%。

由式(4)可知，实际实验过程中滤光片透过率通过It/Is得到，且实验过程中可控制It与Is量级基本相同，故响应误差可忽略。

3) 光源输出光的稳定性：实验中使用高稳氙灯，其不稳定度小于0.5%；4) 导轨的重复精度以及环境杂光：实验过程中使用精密位移平台的定位精度为±0.1 mm，对于直径32 mm的滤光片以及直径4 mm的光源光斑来说，误差可以忽略不计；对于杂散光，由于实验装置置于暗箱内，并对所有开口处进行了防杂光处理，因此杂散光的干扰可忽略。

综上所述，实验的不确定度如下：
3.2 重复性分析
为了评价系统实验结果的可重复性，进行了10次重复性测试，结果如图6所示。

由图6可知，系统重复性误差小于0.13%。

搭建了以氙灯加单色仪配合单光子计数器的高精度光密度连续测试系统，针对带通日盲紫外滤光片位于350 nm～800 nm谱段的光密度展开了连续测量，在实现了对可见光谱段光密度进行不间断连续测量功能的基础上，进一步降低了测量的不确定度，与使用窄带LED作为光源的测试系统相比，测试不确定度由2%降低至0.5%，相对重复性误差由0.2% 降低至0.13%。

综上所述，该测试系统的测试结果能够更为准确地描述滤光片带外谱段光密度特性。

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