探测器光谱响应测试系统

效光敏面积在理论上可以无限缩小扩大了系统的使用范围。
已知绝对光谱辐通量响应度的标准探测器和被测探测器，在相同的辐照度 E(λ)下产生不
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光源种类
光谱范围（μm）
谱线特点
氘灯
0.2-0.4
连续无尖峰
卤钨灯
0.3-2.5
连续无尖峰，中部很平坦
氙灯
0.2-2.5
连续但有多个锐利的尖峰
氙灯具有较长的光谱使用范围，涵盖了紫外到近红外，但由于谱线中有多个锐利的尖峰，
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1.6
其中 RΦs(λ)为标准探测器的标定值。
式 1.6 和 1.5 相比可得到被测探测器的绝对光谱辐通量响应度为：
RΦt(λ)＝
Rφs (λ )×It ×Ss
Is ×St
（A/W）
1.7
量子效率的计算公式为：η=1.24×RΦt(λ)（A/W）/λ（µm）
1.8
二、系统组成
我公司生产的探测器光谱响应测试系统包括如下组成部分： 1. 复合光源(内置斩波器)及电源：可提供经过调制的 200nm-2500nm 的紫外、可见-近
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六、分光系统的选择保证波长的准确度和重复性
为了得到较高的光谱重复性，同时也获得较高的光谱准确度和分辨率，分光系统使用了 我公司生产的标准配置三光栅光谱仪，同时采用 7IFW6 六档滤光片轮滤去多极光谱。该光谱 仪采用精研蜗轮蜗杆传动，步进电机细分技术，最小电机步距为 0.005nm，实际使用的波长 范围可达 200-2500nm，并具有良好的波长重复性，使用中波长扫描、光栅更换和滤光片更换 全部由自动化控制。
十、专用配套软件
为该系统应用而开发的专用配套软件功能强大，界面友好，集成了单色仪、滤光片轮、 锁相放大器、复合光源室和复合探测器室的自动控制转换、设定和工作状况显示，探测器定 位，测试程序编辑，自动测试，数据计算，图表自动生成，数据备份和打印输出等功能，实 现了系统应用的全自动化。
十一、 系统工作条件
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八、等辐照度均匀辐射场或等辐通量辐射场的保证
照在标准探测器和被测探测器上的辐照度 E(λ)一致，式 1.7 才成立。标准探测器和被测 探测器本身具有一定面积，若同时放置于均匀辐射场，则要求该辐射场具有较大的面积，而 大面积均匀辐射场常常以降低辐照度作为代价（例如采用积分球），辐照度降低则直接降低了 系统的信噪比，影响测量精度。为此，这里采用先后测量的方法，将标准探测器和被测探测 器先后置于等辐照度均匀辐射场中分别进行响应电流的测量。
仪器的工作环境条件对测量精度有一定的影响，建议采用以下工作条件： z 室温 5-25℃ z 室内相对湿度不大于 85% z 室内无腐蚀性气体 z 室内不应有强烈电磁场干扰 z 仪器不应受到影响使用的震动 z 供应电源：电压(220±22)V，频率(50±1)Hz z 室内通风良好，便于排除氘灯引起的臭氧排放
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同的电流值 Is 和 It（下标 s，t 分别表示标准探测器和被测探测器），此时入射到标准探测器和 被测探测器表面的辐通量分别为：
斩波器
三光栅单色仪
四、主要技术指标
1． 复合光源光谱范围：200-2500nm，供电电源输出电流漂移 0.04%/h 2． 系统波长准确度： 0.2nm 3． 系统波长重复性： 0.1nm 4． 系统重复误差：<5% 5． 系统测量误差：<5%
五、光源选择保证重复测量的可行性
常用光谱范围的光源及其特点如下表
七、信号处理
光源在不同波长的辐射能量不同，探测器在不同波长的响应度也不同，因此，所测得的 响应电流也会有较大的不同。假设系统噪声不变，响应电流大时，系统信噪比（S/N）大，不 会影响测量精度，如果响应电流很小，甚至小于系统噪声，使 S/N<1，此时测量的精度就会 受到极大影响。为解决这个问题，系统采用了相关检测法，利用信号在时间上的相关性，把 深埋于噪声中的周期信号提取出来。具体做法是：将光源经过斩波器调制成具有固定频率（参 考频率）的周期信号，则探测器也输出具有相同频率的电信号，经过锁相放大器将含有参考 频率的电信号检出，而其它频率的信号（噪声）则被抑制掉，从而提高了系统的信噪比，保 证了测量精度。
红外光源 2. 三光栅单色仪：光谱范围覆盖 200nm-2500nm 的紫外、可见-近红外 3. 滤光片轮：用于消除多级光谱 4. 准直光路：用于将单色仪出来的发散光转换成平行光，并通过可变光阑调节输出光
的强弱 5. 探测器室：用于放置标准探测器和被测探测器 6. 锁相放大器：用于测试信号的采集、放大和 A/D 转换，并传输到计算机 7. 配套软件：设置各组件参数及测试参数，自动测试，数据计算处理，给出被测探测
1. 时间均匀的保证： 要获得时间均匀的辐射场，就要求为光源提供动力的电源保持稳定，一般说来，辐射能 量的稳定度取决于电源电流的稳定度。为此，我们专门开发了专用复合电源，可使氘灯电流 的不稳定度<0.05%/h，钨灯电流的不稳定度<0.02%/h。 2. 空间均匀的保证： 空间均匀的保证实际上是标准探测器和被测探测器互换时的定位精度保证。采用石英准 直镜使光路平行，这样在光轴方向可保证辐射场均匀，减小了探测器在光轴方向定位误差引 起的辐照度不一致。在光轴的垂直方向上，标准探测器和被测探测器均固定在电动平移台上， 平移台沿垂直光轴和单色以狭缝的方向移动，定位精度达微米量级，有效保证了两个探测器 停在辐射场的同一位置，接收的辐照度等值。
一、测量原理
响应度是探测器最重要的性能参数，也是其它参数计算的重要依据之一。光电探测器的
光谱响应度分为绝对和相对两类。绝对光谱响应度又分为辐通量响应度和辐照度响应度。
绝对光谱辐通量响应度 RΦ(λ)是指在某一特定波长 λ 处，探测器输出的电流与入射到探测 器上的辐射通量的比值:
RΦ(λ)=I(λ)/Φ(λ)
不适合用作测量光谱响应度的光源。原因是，处于尖峰处的辐射能量会因波长的微小变化而 发生较大的变化，即能量与波长的梯度大，从而影响测量的精度。例如，假设尖峰的峰值波 长在 λ0 处，辐射能量为 E0,λ1 和 λ2 分别为该尖峰的前后两个最底部波长，能量分别为 E1 和 E2，而 E1 和 E2«E0。实际测量中常采用单色仪来获得单波长辐射，由于单色仪具有一定的波 长准确误差和重复误差，在测量 λ0 处的响应度时，所得到的实际单色辐射能量 E 来自波长 λ （λ1<λ<λ2），如果能量与波长的梯度大，当 λ0 与 λ 略有不同，E 与 E0 就相差较多，使测量精 度受到影响。如果光源的光谱曲线平坦，没有尖峰，相当于 E1 、E2、E0 近似相等，即使波 长不够准确、重复性略差，测量精度也不会受到较大的影响。正是基于这个原因，不能选择 氙灯作为光源。而光谱曲线较平坦的氘灯和卤钨灯覆盖波长都较短，为了得到较长的光谱范 围，我们将二者结合起来组成复合光源，可以满足 200nm-2500nm 连续光谱使用要求。
（A/W）
1.1
此时入射光斑小于或等于器件的光敏面积，辐射功率被器件完全接收。
绝对光谱辐照度响应度 RE(λ)是指在某一特定波长 λ 处，探测器输出的电流与照射到探测
器表面的辐照度的比值:
RE(λ)=I(λ)/E(λ)
（Am2/W）
1.2
此时辐射场均匀，使探测器表面各点所接受的辐照度相同。适合应用于不能聚焦的均匀
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光源
单色仪
标准探测器
准直镜
被测探测器
等辐通量辐射场只需光源在时间上具有较好的稳定性性，辐射稳定即可，等同于时间均
匀的保证。
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那么如何保证在两次测量中，照射在标准探测器和被测探测器上的辐照度一样呢？我们 将这个问题分为三部分，即辐射场辐照度的时间均匀、空间均匀以及单色（能量）重复性。 时间均匀是指在两个探测器的测量和更换的时间内，辐射场辐照度不变。空间均匀是指更换 时，两个探测器处于辐射场的同一位置，接受相同的辐照度。单色（能量）重复性是指更换 后，两个探测器处在相同波长的辐射场之中。
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7-DRSpec 探测器光谱响应测试系统
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探测器是光电转换器件，在光谱测量中，其光谱特性是器件选择的重要依据，因此探测 器光谱响应测试在探测器的生产、检测和应用等领域有着良好的应用前景。我公司最新研发 的全自动探测器光谱响应测试系统可以方便简捷地对探测器的主要性能指标，如：光谱响应 度、量子效率、峰值响应波长、峰值响应长波限、短波限等进行测量和计算，提高了测量的 准确度和测量效率。
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软件界面
计算机
锁相放大器
探测器室
复合电源
准直光路 长波通滤光片
复合光源
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九、探测器的更换与定位
探测器的更换要人工手动进行，系统需要根据测试器件的具体形状及装夹方式单独设计 定位夹具，保证更换过程不会引起测量误差。
器的光谱响应度和量子效率，并可将数据和曲线打印输出。
三、系统框图
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1.3
Φt＝St×E(λ)
（W）
1.4
其中 Ss、St 分别表示标准探测器和被测探测器的有效光敏面积。
按照公式 1.1 此时标准探测器和被测探测器的绝对光谱辐通量响应度分别为：
RΦs(λ)＝Is/Φs＝Is/Ss×E
（A/W）
1.5
RΦt(λ)＝It/Φt＝It/St×E
（A/W）
辐射场，光斑可以大于器件的光敏面积。
实际测量中，辐射场入射光斑由于像差等原因往往不能聚焦到很小，直接测量绝对光谱
辐通量响应度 RΦ(λ)对于光敏面积小的探测器难度较大。这里我们使辐照度均匀的辐射场面积 大于探测器的有效光敏面积，并利用标定过的已知绝对光谱辐通量响应度的标准探测器，通
过比对来得到被测探测器的绝对光谱辐通量响应度，再计算量子效率，使可测量的探测器有