CHEN Xue1a, 2，LI Zongxuan1b，YAN Feng1a，ZHANG Mingchao1a，ZHOU Yue1a，SUI Yongxin1a

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日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)

陳 雪1a,2，李宗軒1b，閆 豐1a，章明朝1a，周 躍1a，隋永新1a

( 1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 a. 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超精密光學(xué)工程研究中心； b. 小衛(wèi)星技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

為評(píng)估日盲紫外像增強(qiáng)器的帶內(nèi)響應(yīng)能力及帶外截止能力，基于標(biāo)準(zhǔn)替代法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了寬光譜大動(dòng)態(tài)范圍的日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇寬波段、高亮度、高穩(wěn)定性的激光泵浦白光光源作為基本光源，與單色儀配合構(gòu)建了單色輻照場，并采用可溯源于美國NIST標(biāo)準(zhǔn)的硅陷阱探測器作為參考探測器，通過高精度靜電計(jì)和多種抗干擾手段進(jìn)行微弱電流測量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)的高精度測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可覆蓋光譜范圍200 nm~630 nm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)106，測試不確定度低于5.5%。該測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，精度高，基本滿足日盲紫外像增強(qiáng)器篩選的應(yīng)用需求。

日盲紫外；像增強(qiáng)器；絕對(duì)光譜響應(yīng)；寬光譜

0 引 言

太陽輻射中的日盲(240 nm~280 nm)波段被臭氧層強(qiáng)烈吸收，在臭氧層以下的空間中幾乎不存在。當(dāng)近地表產(chǎn)生大量的日盲區(qū)紫外輻射時(shí)，就能在極微弱的背景下探測出紫外輻射源。日盲紫外成像探測技術(shù)因其不受太陽背景噪聲的干擾，可實(shí)現(xiàn)微弱紫外目標(biāo)的準(zhǔn)確成像探測、圖像清晰、性能穩(wěn)定，因而在電暈放電探測、災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)、導(dǎo)彈逼近告警、天文觀測和醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-12]。

SBUV-ICCD(Solar Blind Ultraviolet Intensified CCD)是目前廣泛使用的日盲紫外面陣成像探測器[13-14]。日盲紫外像增強(qiáng)器作為SBUV-ICCD的核心器件，其性能好壞決定著SBUV-ICCD探測器的優(yōu)劣。絕對(duì)光譜響應(yīng)描述了輸出光電流與入射輻通量之間的波長對(duì)應(yīng)關(guān)系。該指標(biāo)不僅體現(xiàn)了像增強(qiáng)器在日盲區(qū)探測能力的強(qiáng)弱，還體現(xiàn)了對(duì)帶外干擾的抑制能力，是評(píng)價(jià)像增強(qiáng)器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)，是器件篩選、系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與性能評(píng)估的重要參考。

目前國內(nèi)對(duì)光譜響應(yīng)的測試多集中于可見和紅外波段[15-19]，針對(duì)紫外波段進(jìn)行的測試又多集中在SBUV-ICCD整體或相對(duì)光譜響應(yīng)的測量上[20-23]，僅有少量文章針對(duì)紫外像增強(qiáng)器或絕對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行測試[24-26]。2007年，程宏昌等實(shí)現(xiàn)了紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)的測試，但其測試范圍局限于200 nm~400 nm，測試不確定度為10%[24]。2009年，付利平等實(shí)現(xiàn)了130 nm~250nm遠(yuǎn)紫外像增強(qiáng)器的相對(duì)光譜響應(yīng)測試[25]。2009年，李健軍等實(shí)現(xiàn)了硅陷阱探測器在350 nm~1 064 nm波段的絕對(duì)光譜響應(yīng)度定標(biāo)[26]，僅覆蓋了一部分近紫外范圍。雖然日盲紫外像增強(qiáng)器所用光陰極材料的峰值通常在250 nm左右，長波極限通常在320 nm左右，對(duì)透過地球大氣(>320 nm)的太陽光相對(duì)不靈敏，但是事實(shí)上，其光譜響應(yīng)曲線在可見光甚至近紅外區(qū)域具有極低的靈敏度尾部。這一低靈敏尾部關(guān)系著日盲紫外器件的抗太陽光干擾能力以及深截止日盲紫外帶通濾光片的研制難度。因此，對(duì)紫外像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)的測試波長范圍不能局限于紫外區(qū)域，必須向帶外的長波方向擴(kuò)展。

光譜響應(yīng)測試可歸納為四種基本方法：寬帶濾光片法、直接比較法、標(biāo)準(zhǔn)替代法、傅里葉變換法[16]。寬帶濾光片法測量由于準(zhǔn)確性和精度低已很少被使用。傅里葉變換法需要一個(gè)已知分光譜曲線的分束鏡，而且測量結(jié)果中包含了參考探測器的幅頻特性，影響了測量準(zhǔn)確度。標(biāo)準(zhǔn)替代法和直接比較法的基本原理相似，均通過將被測器件在單色輻照下的輸出與標(biāo)定過的參考探測器輸出進(jìn)行比較，獲得其光譜響應(yīng)。但是標(biāo)準(zhǔn)替代法里的待測探測器和基準(zhǔn)探測器置于同一位置，在同樣的條件下被照射，從而使直接比較法中轉(zhuǎn)換鏡子或者光束分離器的誤差被抵消。在參考探測器的光譜響應(yīng)度函數(shù)保持不變時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)替代法更加簡單、方便，且具有更高的精度。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)替代法，建立了一套寬光譜大動(dòng)態(tài)范圍的日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)以寬光譜、高亮度、高穩(wěn)定性的激光泵浦白光光源作為基本光源，與單色儀配合構(gòu)建了單色輻照場；采用可溯源于美國NIST(National Institute of Standards and Technology)標(biāo)準(zhǔn)的硅陷阱探測器為參考探測器；通過高精度靜電計(jì)和多種抗干擾手段進(jìn)行微弱電流測量；實(shí)現(xiàn)了200 nm~630 nm范圍內(nèi)的日盲紫外像增強(qiáng)器的絕對(duì)光譜響應(yīng)自動(dòng)化測試。該測試系統(tǒng)易于裝調(diào)，測試涵蓋波段范圍寬、可測動(dòng)態(tài)范圍大、測試精度高，可廣泛應(yīng)用于紫外像增強(qiáng)器的測試，為像增強(qiáng)器制備工藝的改進(jìn)以及深截止日盲紫外帶通濾光片的制備提供了數(shù)值參考依據(jù)。

1 基本原理

1.1 日盲紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及其工作原理

日盲紫外像增強(qiáng)器主要由入射光窗、光電陰極、MCP(微通道板電子倍增器)和熒光屏等組成，是獲得二維圖像的光敏電真空器件。其工作原理為：透過入射光窗的紫外輻射照射光電陰極時(shí)，光電陰極進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生光電子，在高壓電場的作用下，光電子加速并進(jìn)入MCP通道進(jìn)行電子倍增，倍增后的高能電子再經(jīng)過電場的加速和聚焦后轟擊熒光屏，熒光屏進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換形成二維圖像，輸入圖像被增強(qiáng)顯示輸出在熒光屏上，完成弱紫外目標(biāo)圖像到強(qiáng)可見光圖像的轉(zhuǎn)換。

圖1 日盲紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)原理圖

在像增強(qiáng)器的熒光屏后通過光纖光錐耦合到CCD組成SBUV-ICCD。CCD像元把增強(qiáng)的可見光圖像轉(zhuǎn)換成電荷圖像，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)玫綌?shù)字圖像。SBUV-ICCD一旦封裝后，輸出特征信號(hào)一般為圖像灰度值，可測試動(dòng)態(tài)范圍小，且無法精確定量測量。相較于SBUV-ICCD整機(jī)，單純對(duì)其中的像增強(qiáng)器進(jìn)行光譜響應(yīng)測試，更能直觀且準(zhǔn)確的表征紫外探測器的光譜性能。

1.2 測試原理

單色輻照產(chǎn)生的光電流與入射輻通量之比稱為像增強(qiáng)器的光譜靈敏度。光譜靈敏度按波長的分布稱為絕對(duì)光譜響應(yīng)()：

相比于相對(duì)光譜響應(yīng)，絕對(duì)光譜響應(yīng)不僅能夠反應(yīng)像增強(qiáng)器對(duì)不同波長響應(yīng)的相對(duì)關(guān)系，還能反應(yīng)其帶內(nèi)探測能力、帶外抑制能力及極限探測能力。

目前輻射標(biāo)準(zhǔn)的傳遞途徑有兩種：基于輻射源和基于探測器，其中基于探測器的測量方法是近年來發(fā)展的技術(shù)趨勢，其操作方便、簡單、便于使用和開展現(xiàn)場計(jì)量測試等優(yōu)點(diǎn)，且具有國際公認(rèn)的最高精度[27-28]。因此本文采用基于參考探測器的替代法，其原理框圖如圖2所示。但是，以往的基于替代法的測試裝置只能實(shí)現(xiàn)紫外波段的測試，且動(dòng)態(tài)范圍小。如果用于絕對(duì)光譜響應(yīng)測試，只能首先測試器件紫外波段的相對(duì)光譜響應(yīng)，然后對(duì)波長s處(s為激光器波長或氣體放電燈強(qiáng)譜線位置，對(duì)日盲紫外器件，通常選用s=253.7 nm)的光譜靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，從而間接推算出器件的絕對(duì)光譜響應(yīng)。這種方法對(duì)s處測試準(zhǔn)確性的依賴極高。為了克服此缺點(diǎn)，本文選擇高亮度寬光譜的白光光源、不確定度低的參考探測器、弱電流測試能力極強(qiáng)的靜電計(jì)，并采用多種手段抑制漏電流等干擾，在寬波段范圍內(nèi)直接對(duì)絕對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行測試。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)替代法原理框圖

首先將一個(gè)光譜響應(yīng)已知的參考探測器放置在單色儀出射狹縫處，當(dāng)波長為的單色光全部入射到參考探測器時(shí)，輸出電信號(hào)為

然后，將被測像增強(qiáng)器放在出射狹縫處，由靜電計(jì)測得每個(gè)波長點(diǎn)的輸出電流值：

2 測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

研制的日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)裝置示意圖和實(shí)物圖如圖3、圖4所示，主要由輻射源、單色系統(tǒng)、參考探測器、光學(xué)匹配系統(tǒng)、弱電流測試系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖3 紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)示意圖

圖4 紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)實(shí)物圖

1) 光源。采用一只美國ENERGETIQ公司生產(chǎn)的EQ-99 LDLS (Laser-Driven light Source)激光泵浦白光光源。相比于傳統(tǒng)的電極驅(qū)動(dòng)光源(如鎢燈、鹵燈、氙燈、氘燈等)，EQ-99 LDLS在170 nm~2 100 nm寬波段范圍內(nèi)都具有10 mW/mm2·sr·nm左右的高亮度，并且其壽命比傳統(tǒng)燈得到了極大的提高。EQ-99 LDLS能提供極好的空間、功率穩(wěn)定性(<0.1%)，并能滿足對(duì)寬光波段高重復(fù)測量需求。

2) 單色儀。其入口處配有濾光片輪，可降低雜散光干擾。

3) 參考探測器。為可溯源NIST標(biāo)準(zhǔn)的硅陷阱探測器SST-TRAP-C，波長范圍為200 nm~980 nm；不確定度200 nm~260 nm范圍內(nèi)優(yōu)于1.5%，270 nm~400 nm范圍內(nèi)優(yōu)于5.0%，410 nm~980 nm范圍內(nèi)優(yōu)于1.0%；空間非均勻性低于0.02%；最小可探測光功率0.1 nW。

4) 光學(xué)匹配系統(tǒng)。包括前置光學(xué)照明系統(tǒng)以及后置光學(xué)聚焦系統(tǒng)。前置光學(xué)照明系統(tǒng)采用單透鏡(石英玻璃球面鏡)，光學(xué)相對(duì)孔徑與單色儀匹配，以達(dá)到光能量能充分利用，又不會(huì)因相對(duì)孔徑過大造成色散而產(chǎn)生額外的雜散光。單色儀出射的單色輻射匯聚到單色儀出射狹縫后又發(fā)散；而進(jìn)行像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試時(shí)，需要將全部輻照匯聚到光電陰極或參考探測器上；因此，需要對(duì)單色儀出射光進(jìn)行匯聚。后置光學(xué)聚焦系統(tǒng)，由一個(gè)平面反射鏡和一個(gè)球面反射鏡組成，保證從單色儀出射的單色光能夠全部聚焦到探測器(包括參考探測器和待測像增強(qiáng)器)光敏面上。

5) 靜電計(jì)。

6) 控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 微弱電流測量

決定該測試系統(tǒng)覆蓋光譜范圍和測試精度的關(guān)鍵是微弱電流的測量能力。任何干擾使測試系統(tǒng)額外產(chǎn)生的電流都會(huì)被加到被測微弱光電流中而引起誤差，從而降低測量精度，甚至干擾過大導(dǎo)致微弱光電流信號(hào)無法測量。本測試系統(tǒng)中采用了多種抗干擾方法：

1) 被測像增強(qiáng)器安裝在電磁屏蔽筒內(nèi)部，如圖5所示。電磁屏蔽筒為全金屬結(jié)構(gòu)，且外盒接地，起到屏蔽靜電干擾作用。

圖5 電磁屏蔽筒實(shí)物圖

2) 靜電計(jì)、高壓電源、電磁屏蔽筒之間采用同軸電纜互連，接頭處使用BNC連接器。低噪聲同軸電纜的內(nèi)部有石墨涂敷層，以盡量降低由摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的電流；同軸電纜的外部由金屬絲緊密編織的屏蔽層接地，以盡量避免靜電干擾。BNC連接器的芯用于電路連接，外殼接地。

3) 測試實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕的暗室中進(jìn)行，減少環(huán)境對(duì)電流的影響。

4) 所有設(shè)備均采用電腦自動(dòng)控制，減少人員走動(dòng)對(duì)弱電流測試的影響。

通過采用以上多種方式，降低了漏電流等因素的影響，提高測試信噪比。目前，裝置實(shí)現(xiàn)了pA(10-12A)量級(jí)的微弱光電流測量，測試信噪比大于5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用該裝置對(duì)北方夜視某型日盲紫外像增強(qiáng)器進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖6所示。絕對(duì)光譜響應(yīng)測試波段范圍為200 nm~630 nm，測試動(dòng)態(tài)范圍接近106數(shù)量級(jí)。該像增強(qiáng)器峰值靈敏度為48.7 mA/W@250 nm；在近紫外和可見光波段，像增強(qiáng)器有不同程度的響應(yīng)，對(duì)紫外濾光片的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。在630 nm處，日盲紫外像增強(qiáng)器的響應(yīng)電流接近系統(tǒng)的弱電流測試極限(≈1 pA)；在大于630 nm波段，由于響應(yīng)度過低且單色光功率不足導(dǎo)致被測像增強(qiáng)器輸出光電流過低，響應(yīng)淹沒于噪聲電流中而無法準(zhǔn)確測量。在小于200 nm的波段，由于參考探測器波長范圍的限制而無法精確測量。

圖6 日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線

4 不確定性分析

測量不確定度分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差主要是單色儀引入的波長誤差、參考探測器的響應(yīng)誤差等；隨機(jī)誤差主要有環(huán)境雜散光、光源的穩(wěn)定性、靜電計(jì)穩(wěn)定性等。該裝置的不確定性有：

1) 光源穩(wěn)定性引入不確定度1。EQ-99 LDLS的穩(wěn)定性帶來的相對(duì)不確定度為0.1%。

2) 單色儀引入的不確定度2。包括單色儀帶寬引入的波長誤差21和單色儀波長重復(fù)性引入的誤差22。由單色儀出射的光是具有一定帶寬Δ的準(zhǔn)單色光，實(shí)際測量結(jié)果是在準(zhǔn)單色光的一窄譜寬Δ內(nèi)的積分靈敏度，與探測器在波長處的實(shí)際光譜靈敏度是有一定偏差的，由此引入的波長誤差21≈1%。單色儀的波長準(zhǔn)確度為0.2 nm，波長重復(fù)性為0.05 nm，光譜重復(fù)性和準(zhǔn)確性高，故由波長不準(zhǔn)確和波長不重復(fù)性引入的誤差較小，22可忽略不計(jì)。因此，單色儀引入的不確定度2≈21≈1%。

3) 參考探測器引入的不確定度3。硅陷阱探測器對(duì)于不同的波長段有不同的測量不確定度：200 nm~ 260 nm，3≈1.5%；270 nm~400 nm，3≈5.0%；410 nm~980 nm，3≈1.0%。

4) 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)引入的不確定度4。由靜電計(jì)的定位精度決定，約為0.51%。

5) 環(huán)境雜散光帶來的誤差5。由于測量在暗室的暗箱內(nèi)進(jìn)行，暗箱的入光口處與暗箱外的光源之間放有孔徑光闌屏蔽環(huán)境雜散光，因此雜散光的干擾已被抑制到可以忽略的程度。

6) 測試過程中其它不確定度6。由于像增強(qiáng)器面響應(yīng)非均勻性、測量讀數(shù)誤差等各種因素帶來的不確定度為2%。

根據(jù)誤差理論，該寬光譜大動(dòng)態(tài)范圍日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)的組合不確定度為

由式(6)求得不同波長段的測試不確定度如表1所示。

表1 相對(duì)不確定度

Table 1 Relative uncertainty

從不確定度分析結(jié)果可知，利用本測試系統(tǒng)測量日盲紫外像增強(qiáng)器的絕對(duì)光譜響應(yīng)可靠性高，滿足日盲紫外像增強(qiáng)器實(shí)際工程測試不確定度小于10%的基本要求，且該測試系統(tǒng)在波段200 nm~260 nm和410 nm~630 nm范圍內(nèi)取得了不確定度低于3%的極高精度。

5 結(jié) 論

基于標(biāo)準(zhǔn)替代法，構(gòu)建了一套基于可溯源NIST的寬光譜大動(dòng)態(tài)范圍日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)，將紫外探測器的測試光譜范圍擴(kuò)展到200 nm~630 nm。利用該裝置對(duì)日盲紫外像增強(qiáng)器進(jìn)行了測試，獲取了絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線。不確定性分析結(jié)果表明，該裝置進(jìn)行測試的最大不確定度為5.5%，在波段200 nm~260 nm和410 nm~630 nm范圍內(nèi)不確定度低于3%，滿足工程應(yīng)用需求。

該裝置涵蓋波段范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、易于裝調(diào)和使用、速度快、精度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)日盲紫外像增強(qiáng)器絕對(duì)光譜響應(yīng)的全自動(dòng)測試。相關(guān)測試結(jié)果可有力指導(dǎo)日盲紫外像增強(qiáng)器性能提升，并可用于深截止日盲紫外濾光片的光譜優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)探測系統(tǒng)的“全日盲”。如果進(jìn)一步抑制干擾，提升弱電流測試能力，測試波段可繼續(xù)向長波甚至近紅外方向擴(kuò)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；

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AAxxx707)

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.002

陳雪(1987-)，女(漢族)，河北衡水人。助理研究員，博士研究生，主要研究工作是紫外輻射定標(biāo)、多光譜信息融合。

2015-12-22