Test System for Absolute Spectral Response of SBUV Image Intensifier
2016-10-10CHENXue1aLIZongxuan1bYANFeng1aZHANGMingchao1aZHOUYue1aSUIYongxin1a
CHEN Xue1a, 2,LI Zongxuan1b,YAN Feng1a,ZHANG Mingchao1a,ZHOU Yue1a,SUI Yongxin1a
日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统
陈 雪1a,2,李宗轩1b,闫 丰1a,章明朝1a,周 跃1a,隋永新1a
( 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 a. 应用光学国家重点实验室 超精密光学工程研究中心; b. 小卫星技术国家地方联合工程研究中心,长春 130033;2. 中国科学院大学,北京 100049 )
为评估日盲紫外像增强器的带内响应能力及带外截止能力,基于标准替代法,设计并实现了宽光谱大动态范围的日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统。系统选择宽波段、高亮度、高稳定性的激光泵浦白光光源作为基本光源,与单色仪配合构建了单色辐照场,并采用可溯源于美国NIST标准的硅陷阱探测器作为参考探测器,通过高精度静电计和多种抗干扰手段进行微弱电流测量,实现了对日盲紫外像增强器绝对光谱响应的高精度测试。实验结果表明:系统可覆盖光谱范围200 nm~630 nm,动态范围达106,测试不确定度低于5.5%。该测试系统稳定可靠,精度高,基本满足日盲紫外像增强器筛选的应用需求。
日盲紫外;像增强器;绝对光谱响应;宽光谱
0 引 言
太阳辐射中的日盲(240 nm~280 nm)波段被臭氧层强烈吸收,在臭氧层以下的空间中几乎不存在。当近地表产生大量的日盲区紫外辐射时,就能在极微弱的背景下探测出紫外辐射源。日盲紫外成像探测技术因其不受太阳背景噪声的干扰,可实现微弱紫外目标的准确成像探测、图像清晰、性能稳定,因而在电晕放电探测、灾害天气预报、导弹逼近告警、天文观测和医学、生物学等领域得到了广泛的应用[1-12]。
SBUV-ICCD(Solar Blind Ultraviolet Intensified CCD)是目前广泛使用的日盲紫外面阵成像探测器[13-14]。日盲紫外像增强器作为SBUV-ICCD的核心器件,其性能好坏决定着SBUV-ICCD探测器的优劣。绝对光谱响应描述了输出光电流与入射辐通量之间的波长对应关系。该指标不仅体现了像增强器在日盲区探测能力的强弱,还体现了对带外干扰的抑制能力,是评价像增强器性能优劣的主要标准,是器件筛选、系统应用设计与性能评估的重要参考。
目前国内对光谱响应的测试多集中于可见和红外波段[15-19],针对紫外波段进行的测试又多集中在SBUV-ICCD整体或相对光谱响应的测量上[20-23],仅有少量文章针对紫外像增强器或绝对光谱响应进行测试[24-26]。2007年,程宏昌等实现了紫外像增强器绝对光谱响应的测试,但其测试范围局限于200 nm~400 nm,测试不确定度为10%[24]。2009年,付利平等实现了130 nm~250nm远紫外像增强器的相对光谱响应测试[25]。2009年,李健军等实现了硅陷阱探测器在350 nm~1 064 nm波段的绝对光谱响应度定标[26],仅覆盖了一部分近紫外范围。虽然日盲紫外像增强器所用光阴极材料的峰值通常在250 nm左右,长波极限通常在320 nm左右,对透过地球大气(>320 nm)的太阳光相对不灵敏,但是事实上,其光谱响应曲线在可见光甚至近红外区域具有极低的灵敏度尾部。这一低灵敏尾部关系着日盲紫外器件的抗太阳光干扰能力以及深截止日盲紫外带通滤光片的研制难度。因此,对紫外像增强器光谱响应的测试波长范围不能局限于紫外区域,必须向带外的长波方向扩展。
光谱响应测试可归纳为四种基本方法:宽带滤光片法、直接比较法、标准替代法、傅里叶变换法[16]。宽带滤光片法测量由于准确性和精度低已很少被使用。傅里叶变换法需要一个已知分光谱曲线的分束镜,而且测量结果中包含了参考探测器的幅频特性,影响了测量准确度。标准替代法和直接比较法的基本原理相似,均通过将被测器件在单色辐照下的输出与标定过的参考探测器输出进行比较,获得其光谱响应。但是标准替代法里的待测探测器和基准探测器置于同一位置,在同样的条件下被照射,从而使直接比较法中转换镜子或者光束分离器的误差被抵消。在参考探测器的光谱响应度函数保持不变时,使用标准替代法更加简单、方便,且具有更高的精度。
本文采用标准替代法,建立了一套宽光谱大动态范围的日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统。系统以宽光谱、高亮度、高稳定性的激光泵浦白光光源作为基本光源,与单色仪配合构建了单色辐照场;采用可溯源于美国NIST(National Institute of Standards and Technology)标准的硅陷阱探测器为参考探测器;通过高精度静电计和多种抗干扰手段进行微弱电流测量;实现了200 nm~630 nm范围内的日盲紫外像增强器的绝对光谱响应自动化测试。该测试系统易于装调,测试涵盖波段范围宽、可测动态范围大、测试精度高,可广泛应用于紫外像增强器的测试,为像增强器制备工艺的改进以及深截止日盲紫外带通滤光片的制备提供了数值参考依据。
1 基本原理
1.1 日盲紫外像增强器结构及其工作原理
日盲紫外像增强器主要由入射光窗、光电阴极、MCP(微通道板电子倍增器)和荧光屏等组成,是获得二维图像的光敏电真空器件。其工作原理为:透过入射光窗的紫外辐射照射光电阴极时,光电阴极进行光电转换产生光电子,在高压电场的作用下,光电子加速并进入MCP通道进行电子倍增,倍增后的高能电子再经过电场的加速和聚焦后轰击荧光屏,荧光屏进行电光转换形成二维图像,输入图像被增强显示输出在荧光屏上,完成弱紫外目标图像到强可见光图像的转换。
图1 日盲紫外像增强器结构原理图
在像增强器的荧光屏后通过光纤光锥耦合到CCD组成SBUV-ICCD。CCD像元把增强的可见光图像转换成电荷图像,然后经过数据采集和传输得到数字图像。SBUV-ICCD一旦封装后,输出特征信号一般为图像灰度值,可测试动态范围小,且无法精确定量测量。相较于SBUV-ICCD整机,单纯对其中的像增强器进行光谱响应测试,更能直观且准确的表征紫外探测器的光谱性能。
1.2 测试原理
单色辐照产生的光电流与入射辐通量之比称为像增强器的光谱灵敏度。光谱灵敏度按波长的分布称为绝对光谱响应():
相比于相对光谱响应,绝对光谱响应不仅能够反应像增强器对不同波长响应的相对关系,还能反应其带内探测能力、带外抑制能力及极限探测能力。
目前辐射标准的传递途径有两种:基于辐射源和基于探测器,其中基于探测器的测量方法是近年来发展的技术趋势,其操作方便、简单、便于使用和开展现场计量测试等优点,且具有国际公认的最高精度[27-28]。因此本文采用基于参考探测器的替代法,其原理框图如图2所示。但是,以往的基于替代法的测试装置只能实现紫外波段的测试,且动态范围小。如果用于绝对光谱响应测试,只能首先测试器件紫外波段的相对光谱响应,然后对波长s处(s为激光器波长或气体放电灯强谱线位置,对日盲紫外器件,通常选用s=253.7 nm)的光谱灵敏度进行标定,从而间接推算出器件的绝对光谱响应。这种方法对s处测试准确性的依赖极高。为了克服此缺点,本文选择高亮度宽光谱的白光光源、不确定度低的参考探测器、弱电流测试能力极强的静电计,并采用多种手段抑制漏电流等干扰,在宽波段范围内直接对绝对光谱响应进行测试。
图2 标准替代法原理框图
首先将一个光谱响应已知的参考探测器放置在单色仪出射狭缝处,当波长为的单色光全部入射到参考探测器时,输出电信号为
然后,将被测像增强器放在出射狭缝处,由静电计测得每个波长点的输出电流值:
2 测试系统
2.1 系统基本构成
研制的日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统装置示意图和实物图如图3、图4所示,主要由辐射源、单色系统、参考探测器、光学匹配系统、弱电流测试系统、控制和数据采集系统组成。
图3 紫外像增强器绝对光谱响应测试系统示意图
图4 紫外像增强器绝对光谱响应测试系统实物图
1) 光源。采用一只美国ENERGETIQ公司生产的EQ-99 LDLS (Laser-Driven light Source)激光泵浦白光光源。相比于传统的电极驱动光源(如钨灯、卤灯、氙灯、氘灯等),EQ-99 LDLS在170 nm~2 100 nm宽波段范围内都具有10 mW/mm2·sr·nm左右的高亮度,并且其寿命比传统灯得到了极大的提高。EQ-99 LDLS能提供极好的空间、功率稳定性(<0.1%),并能满足对宽光波段高重复测量需求。
2) 单色仪。其入口处配有滤光片轮,可降低杂散光干扰。
3) 参考探测器。为可溯源NIST标准的硅陷阱探测器SST-TRAP-C,波长范围为200 nm~980 nm;不确定度200 nm~260 nm范围内优于1.5%,270 nm~400 nm范围内优于5.0%,410 nm~980 nm范围内优于1.0%;空间非均匀性低于0.02%;最小可探测光功率0.1 nW。
4) 光学匹配系统。包括前置光学照明系统以及后置光学聚焦系统。前置光学照明系统采用单透镜(石英玻璃球面镜),光学相对孔径与单色仪匹配,以达到光能量能充分利用,又不会因相对孔径过大造成色散而产生额外的杂散光。单色仪出射的单色辐射汇聚到单色仪出射狭缝后又发散;而进行像增强器绝对光谱响应测试时,需要将全部辐照汇聚到光电阴极或参考探测器上;因此,需要对单色仪出射光进行汇聚。后置光学聚焦系统,由一个平面反射镜和一个球面反射镜组成,保证从单色仪出射的单色光能够全部聚焦到探测器(包括参考探测器和待测像增强器)光敏面上。
5) 静电计。
6) 控制和数据采集系统。
2.2 微弱电流测量
决定该测试系统覆盖光谱范围和测试精度的关键是微弱电流的测量能力。任何干扰使测试系统额外产生的电流都会被加到被测微弱光电流中而引起误差,从而降低测量精度,甚至干扰过大导致微弱光电流信号无法测量。本测试系统中采用了多种抗干扰方法:
1) 被测像增强器安装在电磁屏蔽筒内部,如图5所示。电磁屏蔽筒为全金属结构,且外盒接地,起到屏蔽静电干扰作用。
图5 电磁屏蔽筒实物图
2) 静电计、高压电源、电磁屏蔽筒之间采用同轴电缆互连,接头处使用BNC连接器。低噪声同轴电缆的内部有石墨涂敷层,以尽量降低由摩擦电效应产生的电流;同轴电缆的外部由金属丝紧密编织的屏蔽层接地,以尽量避免静电干扰。BNC连接器的芯用于电路连接,外壳接地。
3) 测试实验在恒温恒湿的暗室中进行,减少环境对电流的影响。
4) 所有设备均采用电脑自动控制,减少人员走动对弱电流测试的影响。
通过采用以上多种方式,降低了漏电流等因素的影响,提高测试信噪比。目前,装置实现了pA(10-12A)量级的微弱光电流测量,测试信噪比大于5。
3 实验结果
使用该装置对北方夜视某型日盲紫外像增强器进行了测试,结果如图6所示。绝对光谱响应测试波段范围为200 nm~630 nm,测试动态范围接近106数量级。该像增强器峰值灵敏度为48.7 mA/W@250 nm;在近紫外和可见光波段,像增强器有不同程度的响应,对紫外滤光片的设计提出了较高的要求。在630 nm处,日盲紫外像增强器的响应电流接近系统的弱电流测试极限(≈1 pA);在大于630 nm波段,由于响应度过低且单色光功率不足导致被测像增强器输出光电流过低,响应淹没于噪声电流中而无法准确测量。在小于200 nm的波段,由于参考探测器波长范围的限制而无法精确测量。
图6 日盲紫外像增强器绝对光谱响应曲线
4 不确定性分析
测量不确定度分为系统误差、随机误差。系统误差主要是单色仪引入的波长误差、参考探测器的响应误差等;随机误差主要有环境杂散光、光源的稳定性、静电计稳定性等。该装置的不确定性有:
1) 光源稳定性引入不确定度1。EQ-99 LDLS的稳定性带来的相对不确定度为0.1%。
2) 单色仪引入的不确定度2。包括单色仪带宽引入的波长误差21和单色仪波长重复性引入的误差22。由单色仪出射的光是具有一定带宽Δ的准单色光,实际测量结果是在准单色光的一窄谱宽Δ内的积分灵敏度,与探测器在波长处的实际光谱灵敏度是有一定偏差的,由此引入的波长误差21≈1%。单色仪的波长准确度为0.2 nm,波长重复性为0.05 nm,光谱重复性和准确性高,故由波长不准确和波长不重复性引入的误差较小,22可忽略不计。因此,单色仪引入的不确定度2≈21≈1%。
3) 参考探测器引入的不确定度3。硅陷阱探测器对于不同的波长段有不同的测量不确定度:200 nm~ 260 nm,3≈1.5%;270 nm~400 nm,3≈5.0%;410 nm~980 nm,3≈1.0%。
4) 数据采集及控制系统引入的不确定度4。由静电计的定位精度决定,约为0.51%。
5) 环境杂散光带来的误差5。由于测量在暗室的暗箱内进行,暗箱的入光口处与暗箱外的光源之间放有孔径光阑屏蔽环境杂散光,因此杂散光的干扰已被抑制到可以忽略的程度。
6) 测试过程中其它不确定度6。由于像增强器面响应非均匀性、测量读数误差等各种因素带来的不确定度为2%。
根据误差理论,该宽光谱大动态范围日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统的组合不确定度为
由式(6)求得不同波长段的测试不确定度如表1所示。
表1 相对不确定度
Table 1 Relative uncertainty
从不确定度分析结果可知,利用本测试系统测量日盲紫外像增强器的绝对光谱响应可靠性高,满足日盲紫外像增强器实际工程测试不确定度小于10%的基本要求,且该测试系统在波段200 nm~260 nm和410 nm~630 nm范围内取得了不确定度低于3%的极高精度。
5 结 论
基于标准替代法,构建了一套基于可溯源NIST的宽光谱大动态范围日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统,将紫外探测器的测试光谱范围扩展到200 nm~630 nm。利用该装置对日盲紫外像增强器进行了测试,获取了绝对光谱响应曲线。不确定性分析结果表明,该装置进行测试的最大不确定度为5.5%,在波段200 nm~260 nm和410 nm~630 nm范围内不确定度低于3%,满足工程应用需求。
该装置涵盖波段范围宽、动态范围大、易于装调和使用、速度快、精度高、可扩展性强,可实现日盲紫外像增强器绝对光谱响应的全自动测试。相关测试结果可有力指导日盲紫外像增强器性能提升,并可用于深截止日盲紫外滤光片的光谱优化匹配,实现探测系统的“全日盲”。如果进一步抑制干扰,提升弱电流测试能力,测试波段可继续向长波甚至近红外方向扩展。
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Test System for Absolute Spectral Response of SBUV Image Intensifier
CHEN Xue1a, 2,LI Zongxuan1b,YAN Feng1a,ZHANG Mingchao1a,ZHOU Yue1a,SUI Yongxin1a
( 1. a. Engineering Research Center of Extreme Precision Optics, State Key Laboratory of Applied Optics; b. National & Local United Engineering Research Center of Small Satellite Technology;Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China )
To assess the solar blind image intensifier, a wide spectrum and large dynamic test system for absolute spectral response of solar blind UV image intensifier was designed and realized based on the standard alternative method. The test system took an ultra-high brightness, high stability broadband laser-driven EQ99 as the basic light source, the spectral-meter as the monochromator and the NIST calibrated silicon trap detector as the reference detector. It also achieved the low current measurement by using a high-accuracy electrometer and a variety of remedies. Experimental results indicate that the system covers spectrum of 200 nm ~ 630 nm and a dynamic range up to 106, and the uncertainty is less than 5.5%. The auto-test system is stable, high-precision and meets the solar blind image intensifier assessment requirement.
SBUV; image intensifier; absolute spectral response; wide spectrum
TN144
2015-07-24;
国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AAxxx707)
A
10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.002
陈雪(1987-),女(汉族),河北衡水人。助理研究员,博士研究生,主要研究工作是紫外辐射定标、多光谱信息融合。
2015-12-22