一种ccd器件量子效率测量装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种CCD器件量子效率测量装置及方法，其中装置包括CCD器件绝对量子效率测量装置及CCD器件相对量子效率测量装置；所述CCD器件绝对量子效率测量装置，用于测量CCD器件在632.8nm波长点上绝对量子效率；所述CCD器件相对量子效率测量装置，用于测量CCD器件在300nm～1100nm波长范围内的相对量子效率。本发明采用632.8nm激光器将光经过稳功率系统后打入到积分球内部进行绝对定标，而且可根据不同CCD器件选用不同输出功率的激光器，就没有光功率较小的问题，也没有光损失，并且标准探测器在632.8nm波长点上是直接溯源到低温辐射计，这样就减少中间环节，提高了测量不确定度。
【专利说明】-种CCD器件量子效率测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于量子效率测量【技术领域】，尤其涉及的是一种CCD器件绝对量子效率及 相对量子效率测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 国内目前是通过卤素灯、积分球、标准探测器、窄线宽滤光片得到某一波长点的量 子效率，再通过测量CCD器件的相对光谱响应计算得到整个响应波段的量子效率，此方法 得到CCD器件量子效率的方法缺点是，在得到某一波长点绝对量子效率时选用窄线宽的滤 光片来实现，从目前调研情况来看，好的窄线宽的滤光片线宽一般在l〇nm左右，并且光通 过滤一般在60 %左右，对光能量损失较大。从而测量得到的CCD器件量子效率准确度降低， 无法满足高质量测试要求。
[0003] 国外目前是通过氙灯（或卤素灯）光源、单色仪、标准探测器、积分球主要设备来 测量CCD器件的量子效率，该方法对标准探测器的标定要求较高，一般标准探测器是溯源 到低温辐射计，但低温辐射计只有有限的波长点，632. 8nm最为成熟，无法对全波段高精度 测量。根据积分球的辐射原理，在CCD器件绝对量子效率测量过程中，CCD器件需要和积分 球保持一定的距离。这样在测量波长小于400nm时，CCD器件和标准探测器响应功率过小， 重复性差。另一方面单色仪输出单色光的带宽在几个纳米之间，在高精度绝对量子效率测 试时就会产生较大的误差，无法满足高精度CCD器件绝对量子效率的测试。
[0004] 目前，对于CCD器件量子效率的测量国内也有这方面的研究，从测量方法可知其 测量的精度和重复性较差，无法满足高精度CCD器件量子效率的测量和校准。
[0005] 目前对于CCD器件绝对量子效率的测量方法为，由积分球、光源、窄带滤光片、标 准探测器、单色仪等设备组成，也是采用先在某一点对CCD器件量子效率进行绝对测量，再 对CCD器件整个响应波长范围进行相对量子效率测量，最后计算得到整个CCD器件绝对量 子效率。测量时先将C⑶器件放置在距离积分球输出一定位置处，使C⑶器件工作在最佳 状态，通过控制系统得到CCD器件的响应信号，再将标准探测器放置在同样的位置处，得到 辐射光功率，控制系统通过软件就可以得到某一点的绝对量子效率。再测量得到CCD器件 的相对量子效率，通过得到某一点绝对量子效率和整个响应波段相对量子效率就可以得到 整个波段C⑶器件量子效率。
[0006] 上述方法之中测量CCD器件绝对量子效率，首先是通过窄线宽滤光片得到某一波 长点的量子效率，再通过测量CCD器件的相对光谱响应计算得到整个响应波段的绝对量子 效率，此方法得到CCD器件量子效率的方法缺点是，在得到某一波长点绝对量子效率时选 用窄线宽的滤光片来实现，从目前调研情况来看，好的窄线宽的滤光片线宽一般在l〇nm左 右，并且光通过滤一般在60 %左右，对光能量损失较大。从而测量得到的CCD器件量子效率 准确度降低，无法满足高质量测试要求。
[0007] 因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种CCD器件绝对量子 效率及相对量子效率测量装置及方法。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种C⑶器件量子效率测量装置，其中，包括C⑶器件绝对量子效率测量装置及 CCD器件相对量子效率测量装置；所述CCD器件绝对量子效率测量装置，用于测量CCD器件 632. 8nm波长点上绝对量子效率；所述(XD器件相对量子效率测量装置，用于测量C⑶器件 300nm?llOOnm波长范围内的相对量子效率。
[0011] 所述的CCD器件量子效率测量装置，其中，所述CCD器件绝对量子效率测量装置 由激光器、稳功率系统、连续光衰减片依次连接后与积分球相连接，所述激光器用于输出 632. 8nm波长的光源；所述稳功率系统用于对光起到稳定的效果，所述连续光衰减片用于 对光进行衰减使CCD器件接收的光在积分球的线性范围内；所述积分球还分别与光波长计 及屏蔽室相连接，所述光波长计用于对积分球输出的光进行测量；所述屏蔽室用于对杂散 光进行屏蔽，避免杂散光对测量的影响，所述光波长计与控制系统相连接，所述控制系统用 于对所述光波长计测量的波长进行读取；所述CCD器件、标准探测器与数据采集系统连接 后再与所述控制系统相连接，所述数据采集系统用于对CCD信号的采集和标准探测器信号 的采集；三维精密位移台与所述控制系统相连，所述控制系统用于对所述三维精密位移台 进行位置调整，使所述CCD器件及所述标准探测器位于最佳位置。
[0012] 所述的CCD器件量子效率测量装置，其中，所述屏蔽室内有所述标准探测器、所述 CCD器件及所述三维精密位移台，所述标准探测器用于测量辐射功率；所述CCD器件用于输 出CCD器件的响应信号；所述三维精密位移台，用于调整所述CCD器件及所述标准探测器的 位置；所述CCD器件设置与所述数据采集系统相连接。
[0013] 所述的CCD器件量子效率测量装置，其中，所述积分球直径为50cm ;所述积分球输 出口径为12cm ;所述标准探测器采用UV100 ;所述激光器输出功率10mW。
[0014] 所述的C⑶器件量子效率测量装置，其中，将632. 8nm激光器发出的激光，通过稳 功率系统进行稳定后，使激光器的稳定性优于〇. 005%，连续光衰减片对光进行光衰减，使 光辐射功率在CCD器件的线性范围内，打入到积分球内，通过调节所述屏蔽室内的所述三 维精密位移台使所述CCD器件放置在距离积分球输出口 60cm位置处，通过所述控制系统改 变CCD器件曝光时间或通过改变连续可调光衰减片改变CCD器件接收的光强得到所述CCD 器件的增益，再通过所述控制系统得到所述CCD器件的响应信号后，将所述标准探测器通 过三维精密位移台调整在相同的位置，得到辐射光功率后，通过已知标准探测器的面积，得 到光辐射照度，通过公式计算得到632. 8nm波长点上的绝对量子效率QEA。
[0015] 所述的CCD器件量子效率测量装置，其中，所述绝对量子效率QEx的计算公式为：
【权利要求】
1. 一种CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，包括CCD器件绝对量子效率测量装 置及CCD器件相对量子效率测量装置；所述CCD器件绝对量子效率测量装置，用于测量CCD 器件632. 8nm波长点上绝对量子效率；所述(XD器件相对量子效率测量装置，用于测量(XD 器件300nm?llOOnm波长范围内的相对量子效率。
2. 如权利要求1所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述CCD器件绝对量 子效率测量装置由激光器、稳功率系统、连续光衰减片依次连接后与积分球相连接，所述激 光器用于产生632. 8nm波长的光源；所述稳功率系统用于对光起到稳定的效果，所述连续 光衰减片用于对光进行衰减使CCD器件接收的光在积分球的线性范围内；所述积分球还分 别与光波长计及屏蔽室相连接，所述光波长计用于对积分球输出的光进行测量；所述屏蔽 室用于对杂散光进行屏蔽，避免杂散光对测量的影响，所述光波长计还设置与控制系统相 连接，所述控制系统用于对所述光波长计测量的波长进行读取；所述CCD器件、标准探测器 与数据采集系统连接后再与所述控制系统相连接，所述数据采集系统用于对CCD信号的采 集和标准探测器信号的采集；三维精密位移台与所述控制系统相连，所述控制系统用于对 所述三维精密位移台进行位置调整，使所述C⑶器件及所述标准探测器位于最佳位置。
3. 如权利要求2所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述屏蔽室内设置有 所述标准探测器、所述CCD器件及所述三维精密位移台，所述标准探测器用于测量辐射功 率；所述CCD器件用于输出CCD器件的响应信号；所述三维精密位移台，用于调整所述CCD 器件及所述标准探测器的位置；所述CCD器件与所述数据采集系统相连接。
4. 如权利要求3所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述积分球直径 为50cm ;所述积分球输出口径为12cm ;所述标准探测器采用UV100 ;所述激光器输出功率 10mW。
5. 如权利要求4所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，将632. 8nm激光器发 出的激光，通过稳功率系统进行稳定后，使激光器的稳定性在0. 005% -0. 1%范围内，连续 光衰减片进行光衰减使光辐射功率在CCD器件的线性范围内，打入到积分球内，通过调节 所述屏蔽室内的所述三维精密位移台使所述CCD器件放置在距离积分球输出口 60cm位置 处，通过所述控制系统改变CCD器件曝光时间或通过改变连续可调光衰减片改变CCD器件 接收的光强得到所述CCD器件的增益，再通过所述控制系统得到所述CCD器件的响应信号 后，将所述标准探测器通过三维精密位移台调整在相同的位置，得到辐射光功率后，通过已 知标准探测器的面积，得到光辐射照度，通过公式计算得到激光器发出的激光上的某一点 的绝对量子效率QE A。
6. 如权利要求5所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述绝对量子效率 0Ελ的计算公式为：
，其中，I为CCD器件响应信号输出；Α为CCD 传感器表面区域的面积；texp为曝光时间；E是标准探测器表面的辐射照度，由标准探测器 定标，单位W/m2，h为普朗克常数，c为真空中的光速，λ为积分球辐射光的波长，G为所述 CCD器件增益系数单位为DN/e-，表示每个电子转换成的数字量。
7. 如权利要求1所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述CCD器件相对 量子效率测量装置由光源、单色仪、光纤束依次连接后与积分球相连接，所述光源采用氙灯 做为光源，用于产生宽光谱光源；所述单色仪用于对输入到单色仪的宽光谱光源进行分光， 产生单色光；所述光聚焦系统用于对单色仪输出的单色光进行汇聚，使光汇聚到光纤束中； 所述积分球还设置分别与光波长计及屏蔽室相连接，所述光波长计用对积分球输出的波 长进行测量；所述屏蔽室用于对杂散光进行屏蔽，避免杂散光对测量的影响；所述光波长 计设置与控制系统相连接，所述控制系统用于对光波长计测量的实际波长进行读取；所述 CCD器件、标准探测器与数据采集系统连接后再与所述控制系统相连接，所述数据采集系统 用于对CCD器件信号的采集和标准探测器信号的采集；三维精密位移台与控制系统相连， 所述控制系统用于对三维精密位移台进行位置调制，使CCD器件及标准探测器位于最佳位 置。
8. 如权利要求7所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述屏蔽室内设置有 标准探测器、CCD器件及三维精密位移台，所述标准探测器用于测量辐射功率，所述CCD器 件用于输出CCD器件的响应信号，所述三维精密位移台，用于调整CCD器件及标准探测器位 于最佳位置处，所述CCD器件设置与所述数据采集系统相连接。
9. 如权利要求8所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述光源为500W的 氙灯；所述积分球直径为50cm ;所述积分球输出口径为12cm ;所述标准探测器采用UV100 ; 所述光纤束采用19根硫系玻璃光纤组成，每根光纤直径达100 μ m。
10. 如权利要求9所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，测量时先通过所述 三维精密位移台将所述CCD器件放置在积分球输出口处，首先通过控制系统设置所述单色 仪输出波长范围为300nm?llOOnm，步进为5nm，通过控制系统得到每个波长下(XD器件的 响应信号，再将所述标准探测器放置在同样的位置处，在相同波长范围及步进情况下，得到 每个波长的辐射光功率，进一步得到300nm?1 lOOnm范围内，步进为5nm的量子效率，再对 得到的量子效率进行归一化处理，就得到所述CCD器件相对量子效率QEA。
11. 如权利要求10所述的CCD器件量子效率测量装置，其特征在于，所述相对量子效率 0Ελ的计算公式为：
；其中，I表示CCD器件响应信号输出，Α表示 CCD传感器表面区域的面积，是曝光时间，E是标准探测器表面的辐射照度，可由标准探 测器定标，单位W/m2, h表示普朗克常数，c表示真空中的光速，λ表示积分球辐射光的波 长，Κ为将〇Ελ的最大值调整为1的归一化常数。
12. -种CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，包括CCD器件绝对量子效率测量方 法，用于测量CCD器件在632. 8nm波长点上绝对量子效率；及CCD器件相对量子效率测量方 法，用于测量(XD器件在300nm?1 lOOnm波长范围内的相对量子效率。
13. 如权利要求12所述的CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，所述CCD器件绝对 量子效率测量方法，包括以下步骤： 步骤1 :将632. 8nm激光通过稳功率系统，再通过连续光衰减片后打入到积分球内； 步骤2 :调节三维精密位移台使C⑶器件放置在距离积分球输出面60cm位置处； 步骤3 :通过连续光衰减片改变光强或通过控制系统改变曝光时间得到CCD器件的增 Μ ; 步骤4 :通过连续可调光衰减片改变光强或通过控制系统改变曝光时间使CCD器件工 作在线性范围内； 步骤5 :获取CCD器件的响应信号； 步骤6 :获取辐射光功率，通过已知的标准探测器面积，就可以得到辐照度； 步骤7 :计算得到激光器发出的激光上的某一点的绝对量子效率QEA。
14. 如权利要求13所述的CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，所述步骤5之前， 通过三维精密位移台使标准探测器移动到相同位置。
15. 如权利要求14所述的CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，所述绝对量子效率 0Ελ的计算公式为：
，其中，I为所述CCD器件响应信号输出，Α为 CCD传感器表面区域的面积，为曝光时间，E是标准探测器表面的辐射照度，由标准探测 器定标，单位W/m2，h为普朗克常数，c为真空中的光速，λ为积分球辐射光的波长，G为所 述CCD器件增益系数单位为DN/e-，表示每个电子转换成的数字量。
16. 如权利要求12所述的CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，所述CCD器件相对 量子效率测量方法，包括以下步骤： 步骤1 :通过三维精密位移台将C⑶器件放置在积分球输出口处； 步骤2 :设置单色仪输出波长范围为300nm?llOOnm，步进为5nm，得到每个波长下(XD 器件的响应信号； 步骤3 :将标准探测器放置在同样的位置处，在相同波长范围及步进情况下，得到每个 波长的辐射光功率，进一步得到300nm?1 lOOnm范围内，步进为5nm的量子效率； 步骤4 :对得到的量子效率进行归一化处理，得到所述CCD器件相对量子效率QEA。
17. 如权利要求16所述的CCD器件量子效率测量方法，其特征在于，所述相对量子效率 0Ελ的计算公式为：
！其中，I表示CCD器件响应信号输出，Α表示 CCD传感器表面区域的面积，是曝光时间，E是标准探测器表面的辐射照度，可由标准探 测器定标，单位W/m2, h表示普朗克常数，c表示真空中的光速，λ表示积分球辐射光的波 长，Κ为将〇Ελ的最大值调整为1的归一化常数。
【文档编号】G01M11/02GK104142226SQ201410395908
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】刘红元, 王恒飞, 王洪超, 应承平, 吴斌, 史学舜, 李国超 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所