光电探测器光谱响应测试系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学辐射定标测量仪器及方法，尤其涉及一种光电探测器光谱响应测 试系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 光谱响应是光电探测器的主要性能参数，通过测试此参数，对实际的光电系统设 计以及光电探测器器件制备工艺的提高与改进等都具有十分重要的意义。
[0003] 公开（公告）号CN102305905A的中国发明专利，提供一种宽光谱光电测试系统， 采用稳定的宽光谱光源测量光谱响应度，测量光谱响应度时，由于经过光电转换之后，电信 号为直流量，光电探测器的背景噪声和电路随机噪声混入其中难以消除，会导致测量的误 差。为了提高测量精度，提出了相干检测的方式，采用调制光源（斩波器调制成方波）的方 式，配合锁相放大器进行检测，可以在很大程度上消除背景噪声和电路随机噪声，提高系统 的测量精度。
[0004] 常用的斩波器调制方式（外调制成方波信号），需要配套购买昂贵的锁相放大器， 而且方波或三角波等除了基波外还含有无数高次谐波，任意的电信号传送和处理通路都具 备一定的分布电容、电感或干扰，即使是理想的方波或三角波经过电路传送后也只能获得 近似的方波或三角波。如此常用的斩波调制方式由于信号失真的影响，也会产生一定的误 差。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种光电探测器光谱响应测试系统，同时提供其测量方法，解决现有 测试系统成本昂贵且难以保证测量精度的问题，以实现光谱响应的高精度测量。
[0006] 本发明所提供的一种光电探测器光谱响应测试系统，包括正弦调制光源、聚光透 镜、单色仪、滤光片轮、暗箱、电机驱动电路，微控制器控制电路、前置放大电路、数据采集卡 和计算机；
[0007] 所述暗箱内装设有准直光学系统、分光镜、第一电动转台和第二电动转台，第一电 动转台上安装有标准Si光电探测器，第二电动转台上安装有参考Si光电探测器，
[0008] 正弦调制光源发出的光经过聚光透镜，进入单色仪进行分光，经滤光片轮滤除高 阶光谱，输出单色光进入暗箱，再经准直光学系统准直为平行光，投射到分光镜上，进行1 : 1分光，透射光被标准Si光电探测器，反射光被参考Si光电探测器接收；标准Si光电探测 器输出电信号和参考Si光电探测器输出电信号通过前置放大电路放大，经过正弦锁相放 大器放大并输出测量的直流量，之后由数据采集卡送至计算机进行数据处理；计算机加载 有单色仪控制模块、滤光片轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，计算机通过电机控 制模块向微控制器控制电路发送指令，控制电机驱动电路驱动第一电动转台和第二电动转 台，通过单色仪控制模块、滤光片轮控制模块和数据采集模块完成单色仪控制、滤光片轮控 制和数据采集功能；
[0009] 其特征在于：
[0010] 所述正弦调制光源为正弦调制的白炽灯、卤钨灯或LED光源；
[0011] 所述前置放大电路和数据采集卡之间串连有正弦锁相放大电路，正弦锁相放大电 路输入端连接前置放大电路，正弦锁相放大电路输出端连接数据采集卡，正弦锁相放大电 路将前置放大电路输出的正弦信号进行锁相放大并输出直流量，由数据采集卡送至计算机 进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度。
[0012] 所述的光电探测器光谱响应测试系统，其进一步特征在于：
[0013] 所述分光镜为点格分光镜，光谱范围为300~900nm波段；
[0014] 所述微控制器控制电路由微型计算机芯片及其外围电路组成，负责与计算机进行 串口通信，接收计算机发出的指令，控制电机驱动电路和前置放大电路；
[0015] 所述正弦锁相放大电路由AD转换电路、主体电路和DA转换电路依次串联构成，其 中主体电路包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器、第三 乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第六乘法器、第七乘 法器、加法器和开方电路；
[0016] 所述第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、环路滤波器、数控振荡器依次串 联，正弦调制信号输入第一乘法器，数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及 同频反相的余弦信号送入第三乘法器相乘，相乘结果送入第二乘法器，形成闭环反馈锁相 环电路；由数控振荡器输出与输入信号同频同相的正弦信号以及同频反相的余弦信号；
[0017] 数控振荡器输出的正弦信号与输入调制信号在第五乘法器相乘，乘积进入第三低 通滤波器，滤波结果进入第七乘法器进行平方运算；数控振荡器输出的余弦信号与输入调 制信号在第四乘法器相乘，乘积进入第二低通滤波器，滤波结果进入第六乘法器进行平方 运算；第六乘法器和第七乘法器的两路平方运算结果，进入加法器求和，求和值送入开方电 路进行开方运算，开方运算结果为正弦锁相放大电路的最终输出。
[0018] 本发明用于测量光谱响应度的过程为：
[0019] 在第一电动转台上放入待测光电探测器；启动计算机的单色仪控制模块、滤光片 轮控制模块、电机控制模块和数据采集模块，设置单色仪输出波长范围λ λ ,和波长间 隔A λ ;完成上述操作后，所得到的待测光电探测器数据，经正弦锁相放大处理之后，由数 据采集卡送至计算机进行数据处理，计算待测光电探测器的光谱响应度；计算完成后，可通 过计算机对得到的数据进行浏览、绘图、打印等处理。
[0020] 本发明中对正弦响应信号进行锁相放大的过程为：
[0021] 在第一电动转台上放入待测光电探测器；启动计算机的单色仪控制模块、滤光片 轮控制模块、电机控制模块、数据采集模块和测试功能模块，通过单色仪控制模块，控制单 色仪输出待测光电探测器工作波长λ，光源的光为正弦调制光，探测器的响应电流信号为 正弦信号，经过前置放大电路，进入正弦锁相放大器，锁相运算得到正比于正弦幅值的直流 信号；直流信号被数据采集卡采集送入PC机计算响应度；
[0022] 所述光电探测器光谱响应测试系统的测量方法，依次包括下述步骤：
[0023] Α.驱动第一、第二电动转台：
[0024] 将待测光电探测器放置在第一电动转台上，向微控制器控制电路发出指令，微控 制器控制电路控制电机驱动电路驱动第一电动转台和第二电动转台，使得标准Si光电探 测器的光轴和参考Si光电探测器的光轴互相垂直；
[0025] B.输出光波：控制滤光片轮控制模块，使滤光片轮转到所需测试的起始波长λ 1 和截止波长人』所限定的波长范围内，300nm< λ ι< λ # 900ηηι，以波长间隔Δ λ控制 单色仪依次输出波长λ ;的光波，i = 1，…，j ; Δ λ = 5nm或IOnm ;
[0026] C.采集I# ( λ J和I# ( λ J :控制数据采集模块，使前置放大电路、正弦锁相放大 电路、数据采集卡对标准Si光电探测器输出的波长-电流信号I# ( λ J和参考Si光电探 测器的输出波长-电流信号1# ( λ J依次进行采集；
[0027] D.判断I# ( λ J和Ι# ( λ J是否超过量程：判断( λ J和Ι# ( λ J大小是否 超过量程，是则进行步骤E，否则进行步骤F ;
[0028] E.数据采集放大电路换档：控制前置放大电路进行换档，转步骤C ;
[0029] F.存储Iig ( λ J和Ι# ( λ J :将采集的Ie ( λ J和Ι# ( λ J传输到计算机存储， 转步骤C，直至达到截止波长λ
[0030] G.驱动第一电动转台：向微控制器控制电路发出指令，由微控制器控制电路控制 电机驱动电路驱动第一电动转台，使得待测光电探测器的光轴对准分光镜的透射光；
[0031] Η.输出光波：以波长间隔Δ λ控制单色仪依次输出波长λ ^勺光波，i = 1，…，j ; Δ λ = 5nm 或 IOnm ;
[0032] I.采集I# U1)和I'参（A1):待测光电探测器和参考光电探测器的正弦响应信 号，经由前置放大电路、锁相放大电路输出，分别成为I # (A1)和I' S(A1),控制数据采集 模块，使数据采集卡对待测光电探测器输出的波长-电流信号I# (A1)和参考光电探测器 的第二轮输出波长-电流信号"# ( λ J依次进行采集；
[0033] J.判断I待（λ J和I'参（λ J是否超过量程：判断采集到的I待（λ J和I'参（λ J 大小是否超过量程，是则进行步骤K，否则进行步