硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

1、硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置張建民林延?xùn)|邵晶樊其明(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013摘要本文介紹了硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量的原理和裝置，描述了相對(duì)和絕對(duì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定方法，詳細(xì)分析了引起標(biāo)定誤差的因素和誤差合成，簡(jiǎn)要分析了國(guó)際比對(duì)結(jié)果。本裝置的波長(zhǎng)范圍為3001000nm，相對(duì)光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.21%0.86%，絕對(duì)光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.25%0.87%。關(guān)鍵詞：光電探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度絕對(duì)光譜響應(yīng)度硅半導(dǎo)體材料和硅光電器件工藝的發(fā)展，使硅光電探測(cè)器的靈敏度、溫度系數(shù)、表面均勻性和穩(wěn)定性等都達(dá)到了相當(dāng)完善的程度。它已經(jīng)在光學(xué)測(cè)量方面成為普遍采用的傳感器，在光度、色度

2、、光譜輻射和激光輻射等精密光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域尤其受到重視。幾乎在所有的測(cè)量中均要求精確測(cè)定它的光譜響應(yīng)度，因此，建立硅光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置是十分必要的1，2。1測(cè)量原理光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)度分為絕對(duì)的和相對(duì)的兩類(lèi)3。絕對(duì)光譜響應(yīng)度又分為輻通量響應(yīng)度和輻照度響應(yīng)度。絕對(duì)光譜輻通量響應(yīng)度定義為：在規(guī)定的波長(zhǎng)上，光電探測(cè)器輸出的短路電流I(與入射到該探測(cè)器的輻通量(功率之比：絕對(duì)光譜輻照度響應(yīng)度RE(定義為：在規(guī)定的波長(zhǎng)上，光電探測(cè)器輸出的短路電流I(與照射到該探測(cè)器表面的輻照度E(之比：相對(duì)光譜響應(yīng)度R(系指絕對(duì)光譜響應(yīng)度在某一特定波長(zhǎng)0上進(jìn)行歸一化的光譜響應(yīng)度：硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度的測(cè)

3、量和標(biāo)定分兩步進(jìn)行：首先，在光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)裝置上，通過(guò)與無(wú)光譜選擇性參考探測(cè)器的比較，標(biāo)定相對(duì)光譜響應(yīng)度；然后在相同裝置上，通過(guò)與陷阱二極管保存的激光功率標(biāo)準(zhǔn)的比較，標(biāo)定絕對(duì)光譜響應(yīng)度。1.1硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置在此裝置上既能標(biāo)定硅光電探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)度，又能標(biāo)定絕對(duì)光譜響應(yīng)度。裝置的光路圖如圖1所示，用溴鎢燈做輻射源L1，其色溫在30003200K，由凹面反射鏡M1將L1的燈絲成像在棱鏡-光柵雙單色儀Mn的入射狹縫上。色散后，輻射在光闌B1上，再經(jīng)過(guò)反射鏡M2和M3，在參考探測(cè)器Dr或被測(cè)探測(cè)器Ds上形成B1的像S1，放大倍數(shù)調(diào)整到11，光斑直徑約為5mm。S1的像前安放有

4、分束器Bs，約有70%的光透過(guò)，30%反射。并在輔助探測(cè)器Ds前也形成11的像S2，以消除光束不穩(wěn)定和光束不對(duì)稱(chēng)造成的誤差。在單色儀Mn的入射狹縫前安放有調(diào)制器Ch和限制進(jìn)入單色儀孔徑的光闌B2，用以減少雜散輻射和調(diào)整孔徑角，光束發(fā)散角(全角為F/6.8。光路中安放有電快門(mén)Sw，供測(cè)量暗電流使用。圖1硅光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置光路圖絕對(duì)定標(biāo)可以應(yīng)用單色儀輸出的單色輻射做輻射源，它定標(biāo)方便，但有信號(hào)弱等缺點(diǎn)。也可應(yīng)用消除偏振光的強(qiáng)激光做輻射源，這時(shí)由激光器L2做輻射源，輻射進(jìn)入積分球I，在積分球出射口可形成均勻的、帶寬很窄的非相干單色輻射源，輻射通過(guò)可移動(dòng)反射鏡M4和其它光學(xué)系統(tǒng)在S1處

5、形成相應(yīng)的像。由于輻照度均勻，即使探測(cè)器表面響應(yīng)度不夠均勻，也只帶來(lái)很小的誤差。對(duì)輻射源進(jìn)行斬波調(diào)制，輔助、標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)探測(cè)器的光電信號(hào)均經(jīng)I/V變換后送入鎖相放大器放大。用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和處理，全部過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。1.2無(wú)光譜選擇性參考探測(cè)器參考探測(cè)器采用電校準(zhǔn)熱釋電功率計(jì)，該儀器雖能直接測(cè)量輻通量和輻照度，但是由于誤差大，只用它做相對(duì)光譜響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的參考探測(cè)器，而用陷阱二極管保存的激光小功率標(biāo)準(zhǔn)做絕對(duì)定標(biāo)。圖2測(cè)量金黑吸收系數(shù)的示意圖熱釋電探測(cè)器的表面雖有金黑吸收層，其吸收系數(shù)基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，但在3001200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)約有0.2%0.6%的反射，隨波長(zhǎng)而異。為驗(yàn)證

6、該項(xiàng)誤差以及得到修正系數(shù)，我們做了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)。首先，在圖1的標(biāo)定裝置像平面S1處放置一個(gè)帶 5mm中心孔的大面積硅探測(cè)器。接收面背向輻射的入射方向，讓由單色儀出來(lái)的單色輻射通過(guò)中心孔照在一個(gè)已知反射比s(的標(biāo)準(zhǔn)白板上，白板和探測(cè)器之間加一個(gè) 8mm光闌，白板的反射部分由帶中心孔的大面積硅探測(cè)器測(cè)量，得到讀數(shù)Is；然后再換上做參考用的熱釋電探測(cè)器，二者光闌的大小、光闌的反射比等條件相同，在大面積硅探測(cè)器上又得到一個(gè)讀數(shù)It，則熱釋電探測(cè)器表面反射比t(為：這種方法很簡(jiǎn)便。測(cè)得結(jié)果如圖3所示，與文獻(xiàn)上發(fā)表過(guò)的數(shù)據(jù)接近。熱釋電探測(cè)器的吸收系數(shù)經(jīng)修正后，剩余誤差為±0.15%。圖3熱釋

7、電探測(cè)器表面反射比2誤差考察與評(píng)估2.1參考探測(cè)器修正吸收系數(shù)之后的殘差此項(xiàng)誤差為±0.15%。2.2單色儀帶寬誤差當(dāng)參考探測(cè)器和被標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)的斜率不同時(shí)，單色儀帶寬會(huì)引進(jìn)誤差。該誤差可通過(guò)反卷積的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行很好的修正，但處理繁瑣，常出現(xiàn)病態(tài)方程。該誤差又不大，因此在很窄的帶寬內(nèi)對(duì)探測(cè)器的光譜響應(yīng)、單色儀的狹縫函數(shù)、光源的輻射分布都作線性化處理，得到修正系數(shù)如下：K(=1-Ks(B(2/6(6其中：Ks(為探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)的斜率；B(為光源的輻射分布斜率；為單色儀帶寬的半寬度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的計(jì)算結(jié)果，引進(jìn)誤差為±0.05%。2.3光電測(cè)量部分的非線性本裝

8、置對(duì)輻射源進(jìn)行調(diào)制，并用鎖相放大器進(jìn)行測(cè)量，減小了雜散光的影響，提高了測(cè)量精度。但鎖相放大器有可能引進(jìn)非線性誤差。用雙孔徑法對(duì)帶硅光電二極管的鎖相放大器進(jìn)行測(cè)量，其非線性誤差為±0.1%。最近又用雙光束法對(duì)帶硅光電二極管的鎖相放大器和熱釋電功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其非線性誤差在所應(yīng)用的范圍內(nèi)為±0.1%。2.4探測(cè)器溫度系數(shù)的影響硅探測(cè)器的溫度系數(shù)在大部分波長(zhǎng)雖然很小，但在紅外卻是不可忽略的，這里測(cè)量了硅光電二極管的溫度系數(shù)，除在9501000nm略大于手冊(cè)給出的值外，其余均和手冊(cè)符合。如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和輔助探測(cè)器進(jìn)行恒溫控制，溫度不穩(wěn)定性為±0.1°C，則所引起

9、的誤差為：波長(zhǎng)300950nm段誤差0.02%；9501000nm段0.05%；10001100nm段0.1%；2.5波長(zhǎng)引起的誤差和修正單色儀的準(zhǔn)確度經(jīng)過(guò)對(duì)汞燈的546.1nm、1014.0nm和He-Ne激光633nm波長(zhǎng)的標(biāo)定，波長(zhǎng)誤差為±0.2nm。對(duì)光譜響應(yīng)度的影響為：波長(zhǎng)300nm處誤差為0.03%；350nm處0.07%；400nm處0.1%；450950nm段0.05%；10001100nm段0.2%。2.6時(shí)間常數(shù)誤差熱釋電功率計(jì)在慢速檔位的時(shí)間常數(shù)為18秒。硅光電二極管時(shí)間常數(shù)雖很小，但是鎖相放大器一般用1秒的時(shí)間常數(shù)。在測(cè)量中，均在78倍的時(shí)間常數(shù)后測(cè)量，此項(xiàng)誤

10、差為0.05%。2.7雜散輻射帶來(lái)的誤差試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用截止濾光片法測(cè)量雙單色儀的雜散輻射，在460nm處測(cè)量，其雜散光在10-5以下，大于此波長(zhǎng)的雜散輻射應(yīng)該更小，因此可忽略此項(xiàng)誤差。通帶外的雜散輻射，因采用了調(diào)制鎖相方法測(cè)量，影響也很小，用移動(dòng)快門(mén)的方法檢查，未發(fā)現(xiàn)測(cè)量隨機(jī)誤差以上的影響。2.8偏振影響由于硅光電二極管的窗口為石英玻璃，又由于光路中有分光系統(tǒng)和分束器，可能會(huì)造成偏振誤差。為減少這種誤差，分束器使用蒸鋁金屬膜，讓其保持與光軸的夾角盡量小，用替代法消除偏振帶來(lái)的影響。經(jīng)在0°、45°和90°等不同放置角度的同一探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)太大的影響。2.9輻射

11、源和探測(cè)器表面均勻性影響這項(xiàng)誤差是不可忽略的，可先測(cè)量探測(cè)器響應(yīng)的面均勻性S(x,y,和輻射源輻照度分布E(x,y,，然后用下式修正：測(cè)量雖很簡(jiǎn)單，但是怎樣修正和估計(jì)誤差卻是很難的，由于每次裝調(diào)探測(cè)器的位置不同，上式的S、E函數(shù)就不同，因此很難做到準(zhǔn)確的修正。我們用重復(fù)裝調(diào)的方法得出該項(xiàng)誤差為±0.2%±0.52%。2.10暗電流和漂移的影響由于采用鎖相放大器進(jìn)行調(diào)制輻射測(cè)量，硅光電二極管的暗電流和漂移影響很小。對(duì)漂移大的熱釋電功率計(jì)，則采用扣除暗電流(勢(shì)的方法處理。2.11絕對(duì)定標(biāo)引入的附加誤差除基準(zhǔn)探測(cè)器具有0.1%的誤差外，還有基準(zhǔn)探測(cè)器過(guò)渡到被測(cè)探測(cè)器的隨機(jī)誤差，兩

12、項(xiàng)合成，對(duì)于絕對(duì)光譜響應(yīng)引入±0.14%的附加誤差。2.12綜合誤差(如表1所示）3測(cè)量結(jié)果的旁證國(guó)際計(jì)量局(BIPM于1993年組織了一次硅光電二極管光譜響應(yīng)的國(guó)際比對(duì)，共有18個(gè)國(guó)家參加，我們也參加了，所得數(shù)據(jù)對(duì)我們建立的標(biāo)準(zhǔn)是有力的旁證。比對(duì)結(jié)果表明，我們的相對(duì)光譜響應(yīng)符合的很好，與BIPM的比值在4001200nm符合在±0.8%，比值是短波大、長(zhǎng)波小4。 其它國(guó)家與BIPM的比值也是如此，考慮這個(gè)因素，我們和幾個(gè)先進(jìn)國(guó)家符合在±0.4%之內(nèi)，這在我們的標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍之內(nèi)。絕對(duì)響應(yīng)值比多數(shù)國(guó)家平均值高約4%，經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，激光束在探測(cè)器窗口上的

13、干涉效應(yīng)是產(chǎn)生這種差別的主要原因5。4結(jié)論本裝置的波長(zhǎng)范圍為3001100nm，相對(duì)光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.21%0.86%，絕對(duì)光譜響應(yīng)的不確定度(1為0.25%0.87%。該裝置將進(jìn)一步改進(jìn)，爭(zhēng)取達(dá)到0.1%的不確定度。表1綜合誤差表波長(zhǎng)(nm參吸考收探系測(cè)數(shù)器(%帶寬誤差(%非線性影響(%溫度系數(shù)(%時(shí)間常數(shù)(%波長(zhǎng)影響(%測(cè)不量確平定均度值(%裝調(diào)不重復(fù)(%B類(lèi)(%A類(lèi)(%合不成確標(biāo)定準(zhǔn)度(%2.5Uc(%B類(lèi)B類(lèi)B類(lèi)A類(lèi)B類(lèi)B類(lèi)A類(lèi)B類(lèi)3000.10.050.10.020.050.030.830.50.570.830.862.153500.10.050.10.020.050.07

14、0.400.50.580.400.461.164000.10.050.10.020.050.100.400.40.500.400.451.124500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.535000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.535500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.536000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.536500.10.050.10.020.050.050.160.20.350

15、.160.210.537000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.537500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.538000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.538500.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.539000.10.050.10.020.050.050.160.20.350.160.210.539500.10.050.10.050.050.050.160.20.350.170.220.541

16、0000.10.050.10.050.050.200.160.30.460.170.250.6210500.10.050.10.100.050.200.160.30.460.190.260.6611000.10.050.10.100.050.200.160.30.460.190.260.66 參考文獻(xiàn)1Corrons A, Zalewski E. Detector Spectral Response from 350 to 1200nm using a Monochromator based Spectral Comparator. NBS TN 988, 19782Sopori B L. A

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18、會(huì)光學(xué)測(cè)試專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，1995年9月A Standard Facility for Spectral Response Measurementof Silicon PhotodiodesZhang Jianmin, Lin Yandong, Shao Jing, Fan Qiming(National Institute of Metrology, Beijing 100013AbstractA standard facility and principle for spectral response measurement of silicon photodiodes are introduced. The c