1、ICS 17.180.20 K 70 GB 中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z 26209-20 1 O/CIE 64-1984 光辐射探测器光谱晌应的确定方法Determination of the spectral responsivity of optical radiation detectors (CIE 64-1984,IDT) 2011-01-14发布2011-06-15实施数码防伪/中华人民共和国国家质量监督检验检夜总局中国国家标准化管理委员会发布GB/Z 26209-20 1 O/CIE 64-1984 目次前言. . 111 引言.凹0 术语和定义.1 相对光谱
2、响应度函数的确定-1. 1 校准量1. 2 基本方法-1. 3 设备的基本元素.1. 4 操作性考虑.8 1. 5 误差的来掠.2 绝对校准142. 1 硅-光电二极管自校准.14 2.2 电校准辐射计.18 2.3 使用标准源的校准.参考文献I GB/Z 26209-2010/CIE 64一1984前言本指导性技术文件等同采用CIE64-1984(光辐射探测器光谱响应的确定方法)C英文版)。本指导性技术文件等同翻译CIE64-19840 为了便于使用，本指导性技术文件做了下列编辑性修改:a) 用小数点j代替作为小数点的气;b) 删除CIE64-1984的概述。本指导性技术文件由中国轻工业联合
3、会提出。本指导性技术文件由全国照明电器标准化技术委员会CSAC/TC224)归口。本指导性技术文件起草单位:国家电光源质量监督检验中心(北京)、中国质量认证中心、中国可再生能源规模化发展项目办公室、北京电光源研究所。本指导性技术文件主要起草人:华树明、李维泉、罗志宏、江姗、赵秀荣。本指导性技术文件仅供参考。有关对本指导性技术文件的建议和意见，向国务院标准化行政主管部门反映。阳山GB/Z 26209-2010/CIE 64一198451 光电探测器的光谱响应度知识对于许多辐射度、光度和色度应用是基础的要求。很多机构都已经建立了用于评价这个功能的设备系统。但是，在多个CIE和其他机构组织的比对之中
4、，来自于不同实验时间的数据差距出乎意料的非常之大(Budde和Sanders，1973; Budde , 1984)。本指导性技术文件的目的是讨论光谱响应度测试的方法和设备系统，为希望整合、测试或者调整进行该测试的设备的人提供指导。出于这种目的，没有完全理想的方案或者设备系统;所以在一些方面，列出了不同的选择。但是，对于一些观点做出了强烈的推荐，也指出了推荐的方法。对于误差的来源、诊断性测试和修正给出了特别的关注。需要强调的是，本指导性技术文件不建议对光谱响应度测量使用一个通用的方案，因为这样的方案还没有出现。本指导性技术文件的基本目的是鼓励在开发这样设备系统时，面对每一个环节的不同选择做出关
5、键的判断;或者对现有设备系统的不同方面做出关键的判断。光谱响应度的确定可以是，也通常是由两部分组成:第一，光谱响应度函数是通过一个热探测器或者其他基准探测器确定的;第二阶段，通常是对每一个波长进行绝对校准工作。相应地，本指导性技术文件的主体部分由两部分组成:第一部分:相对光谱响应度的确定介绍了不同的方法，并讨论了设备细节;介绍了误差的原因以及诊断测试和解决方法。第二部分:绝对校准的方法介绍了三种不同的将相对光谱数据转换为绝对值的方法。当然，如果基准探测器的绝对光谱响应度已知并且符合特定设备条件，这两个过程是可以合并到一起的。但是，在很多应用上，只需要相对光谱响应度。另外，在探测器使用了一段时间
6、后，需要用一个简单的方法来验证绝时校准。因此，将过程分为两部分显然是很实用，并且被接受的。N GB/Z 26209-20 1 O/CIE 64-1984 光辐射探测器光谱晌应的确定方法。术语和定义本章列出的术语和定义是来自于现有CIE文件CCIE53)和/或CIE词汇。在一些情况下，忽略了部分与该文件无关的定义内容。O. 1 0.2 (光辐射)探测器detectorCof optical radiation) 人射光辐射在其上能够产生可测物理效应的设备。光电探测器photoelectric detector 光度辐射探测器，利用辐射与物质之间的相互作用，使得物质吸收光子，随之电子从稳定状态释放
7、出来而产生电势或电流，或电阻的变化，不包括由温度变化引起的电现象。0.3 0.4 0.5 辐射热探测器thermal detector of radiation 热(辐射)探测器thermal C radiation) detector 光度辐射探测器，在其内部由于吸收辐射部分的升温产生可测物理效应。光电发射元件，光电管photoemissive cell , phototube 光电探测器，利用光学辐射引起电子发射。光电倍增管photomultiplier 光电探测器，包括光阴极、阳极和电子倍增器件。它利用倍增管电极或光阴极与阳极之间的二次放射。0.6 光敏电阻，光导管photoresist
8、or, photoconductive cell 一种光电器件，利用通过吸收光辐射释放的电子所产生的电导变化。O. 7 光电二极管photodiode 光电探测器，在其内部通过在两个半导体之间p-n结周围或半导体和金属之间的结点周围吸收光辐射而产生光电流。0.8 (辐射)温差热藕C radiation) thermocouple C radiation) thermopileJ 光学辐射的热探测器，在其内部电动势源于单一热伏结(多个热伏结)，并用于测试被吸收的辐射产生的热效应。0.9 0.10 (探测器的光辐射)输入inputCfor a detector of optical radiati
9、on) 使用辐射度计测量或探测到的辐射度量或光度量。热电探测器pyroelectric detector 光辐射的热探测器，利用温度变化引起某些电介质材料的自发偏振或长久性偏振的时间率。1 GB/Z 26209-2010/CIE 64一1984O. 11 (光辐射探测器的)输出output (for a detector of optical radiation) 探测器由于光输入产生的物理量，通常是电气量的变化。0.12 注:这个电气量可能是电流、电压或者电阻;输出也有可能是化学量，例如在胶片或者曝光片中，也有可能是机械量，例如在Golay探测器中。光电流photocurrent lpb 光
10、电探测器由于人射辐射产生的电流的一部分。注:在光电倍增管中，需要区分阴极光电流和阳极光电流qO. 13 0.14 0.15 O. 16 暗电流dark current 1. 在没有输入辐射的情况下，光电探测器或者其阴极的输出电流。(探测器的)灵敏度responsivity(of a detector) s 探测器的输出Y与输入X的商。Y s=一X (探测器的)光谱灵敏度spectral responsivity(of a detector) s() 探测器的输出dY()与单色仪输入dXe()=汇.1()d的商，波长间隔d是波长A的函数。dY() s()=一一一dX，() (探测器的)相对光谱灵
11、敏度relative spectral responsivity (of a detector) 探测器在波长A处的光谱响应s()与一个给定基准值Sm的比值。s() , =s()/sm 注:给定的参照值Sm可以是一个平均值，最大值或者任意选择的S(心的值g0.17 (探测器的)晌应时间response time (of a deteclor) 在探测器的稳定输入发生梯级变化后，其输出达到最终值的给定百分比所需要的时间。O. 18 (探测器的)上升下降时间risefalltime(of a detector) 在瞬时施加去掉一个稳定输入时，探测器输出从最大值的规定低高百分比上升下降至最大值的规定
12、较高较低百分比所需要的时间。通常认为较小百分比为10%，较大百分比为90%。0.19 (输出随着时间呈指数变化的探测器的)时间常数time constant(of a detector whose output varies exponentially with time) 从一个稳恒输入发生阶梯变化到另一个稳恒输入之后，探测器的输出从其初始值变到终结值的(1-1/e)倍所需要的时间。GB/Z 26209-2010/CIE 64-1984 0.20 (探测器的)线性Iinearity(of a detector) 探测器的输出量与输入量成比例关系的属性。这样，响应度在一定的输入范围内就是常数。
13、注1:探测器通常只是对一个特定范围内的输入呈一定程度的线性。超出了这个范围，可能就成为非线性。这个范围必须说明。注2:探测器的线性范围可能会由于使用不适当的电路受影响。1 相对光谱晌应度函数的确定本章讲述用于确定光电探测器相对光谱响应度函数的方法和设备。介绍了不同的方法，并进行了归纳;讨论了设备系统的元素，以及与操作相关的一些问题。最后，列举了一些可能存在的误差来源并提供了诊断测试方法以及修正的建议。1. 1 校准量可以对探测器的光谱辐射通量响应度或者是光谱辐射照度响应度进行校准。如果使用引言中的两个步骤进行校准，那么只要探测器的响应度在感光区域是一致的，则第一步:确定相对光谱响应度函数，不会
14、被这个区别所影响。但是，第二步:绝对校准，与测量仪器有关。所以在第2章详细讨论。如果两个步骤合为一个，则要关注第2章的相关考虑。1. 2 基本方法本文件将不同文献中的各种技术分为三种基本方法。这种分类方法是主观的，其他的方案也同样是可行的。但是，可以看到这里提出的方案对于下面的讨论是可行的、有用的。这三种方法在这里只是简单的描述，详细的内容见1.3。1. 2. 1 直接比较法:在每一个波长，单色辐射通过转动反射镜的方式从基准探测器转向待测探测器。这种转向可以通过旋转半环形或者多棱镜来实现，见图1(M4镜)，在这种情况下需要AC或者固定的信号放大(Mitruhashi和Nakayama，1956
15、)，或者通过一个双位镜来实现，见图2(Mj镜，三个版本)，双位镜在每个波长只转移一次光束(Kaase，1980; Eppeldauer等，1977)。也可以通过光束分离器进行的直接比较并且不需要移动部件，但是它会带来一些其他需要慎重考虑的问题。S一一光源;M-一一反射镜;T 基准探测器;D一一待测探测器。图1比较法，采用旋转镜M5 3 GB/Z 26209-2010/CIE 64-1984 Ml b) L:!:J Ll T、我M1 a) 八DFFJ c) Ll一镜头;F一一一孔;F一一孔镜像;其他图标同图1.圈2比较法，使用三种不同的转换镜装置1. 2. 2 替代法通过一个安装在狭缝的基准探测
16、器T校准一个辅助探测器(见图3，AS探测器)，使用任意一种直接比较技术或者使用固定的光束分离器。此后基准探测器T被移开，然后在相同的位置安装待测探测器并通过辅助探测器测试。在这种方法里，待测探测器和基准探测器在同样的条件下被照射，并且转换镜子或者光束分离器的特性被抵消CBudde和Dodd，1971 ; Ramadan等，1982)。重要的条件是辅助标准的光谱响应度函数保持不变。1. 2. 3 宽带滤光片方法待测探测器相继被已知光谱能量分布的光源和n个己知光谱透射比函数的滤光片的组合系统照射。对信号的恰当的评估可以得到在n个波长处的光谱响应度CWyszecki，1960; Mori , 196
17、1; Fleming 和Wark，1965)。这个方法不应与方法1和方法2混淆:在方法1和方法2中，干涉滤光片的作用是隔离窄波长带。本方法中的滤光片较大程度地覆盖了更大的，部分重合的披长带。本方法的优势在于不需要基准探测器。但是，一些困难限制了本方法的准确性和精度CHahn和W eidemann, 1965)。本方法没有在任何程度上被使用，所以本指导性技术文件将不再讨论本方法。4 GB/Z 26209-201 O/CIE 64一1984M1 M3 AS一辅助标准;基准探测器T和待测探测器D相继被安装在位置T和D飞M.一一光束分离器。1. 3 设备的基本元素1. 3. 1 辐射源图3替代法推荐使
18、用白炽灯作为辐射源，因为它们可以通过适当的电源来控制其稳定性。使用稳定度高达0.01%甚至更高的DC电源，稳定性能够很容易地控制在0.1%之内。为了避免接触电阻变化的影响，应调节电流而不是电压。为了单色仪的狭缝入口获得均匀的照射，鸽带灯是最合适的光源。但是，线绕鸽丝灯工作温度较高，而在狭缝入口处产生更高的辐照度，尤其是短波长。白炽灯带来的一个不便之处是它们光谱能量分布的形状在长波方向显著上升。通过变化光源的电流或者在光源和单色仪之间使用合适的滤光片可以消除这个不利因素。有时通过热探测器在反馈回路控制灯电流以使在全波段范围内光谱能量保持不变。保持不变的光谱能量分布的优势是待测探测器的信号能够立即
19、显示出光谱响应度函数。在这种情况下，必须满足两个条件:1)基准探测器的光谱响应度函数必须是完全非选择性的;2)用于基准探测器和待测探测器的光学系统必须具有完全一致的光谱。缸灯的电弧，虽然能够在紫外和蓝色谱线区域有较高的输出而有使用价值，但是如果单色仪对于狭缝入射要求高稳定性和均匀照射，那么它就会带来严重的问题(Budde，1962a)。对于要求高稳定性的情况，需要使用带有反馈控制的电源，同时光感应探测器必需安装在单色仪的内部或后部，以稳定人射狭缝的能量。对于紫外附近光谱区域，可以使用筑灯或氢弧灯。1. 3. 2 波长选择可以使用单色仪或几组窄带滤光器来将各种波长分开。选择波长选择工具时需要考虑
20、光谱纯度，即无不同波长的杂散辐射，比分辨率高更重要，因为大多数光谱响应度函数非常平滑，不会出现如荧光灯光谱能量分布这种层线结构。但是，如果带外的杂散辐射来自于探测器响应度较高的披长区，则可能会导致较大的误差。单色仪可使用棱镜或光栅设备。棱镜式双单色仪的光谱纯度最高，而光栅设备的杂散辐射比例较5 G/Z 26209-2010/CIE 64一1984高，必须注意加以清除。可以通过滤光器或棱镜预分散器来清除。棱镜-光栅单色仪能将光栅几乎稳定的色散函数与理想的光谱纯度组合，从商业角度来讲是可实现的。光谱带宽在本系统中不如在光谱辐射仪中那样重要。但是，如果待测探测器与基准探测器在某一波长区光谱响应度函数
21、的斜率差别很大，则较大的带宽会导致波长误差，因而需要进行修正或减小带宽。在V()修正的光电探测器中，带宽相关的误差是个严重问题。如果需要较高的单色辐射照度，几组干涉滤光器非常有效(Moran，1955; Horwitz和Wendland，1979)。它们对设备的要求较低，特别适用于基准探测器和待测探测器光谱响应度函数相近的情况，如生产控制。但是，为了避免波长随入射角偏移，安装这些滤光器应使其与光轴垂直。如果穿过滤光器的辐射十分集中，也必须考虑到这点。除非这些滤光器的带宽非常窄，否则就必须根据辐射源光谱能量分布、滤光器光谱传导函数以及探测器光谱响应度进行波长修正(Krochrnann，1982)
22、。可调的或多波长的激光，如氢或氧，也是合适的选择，前提是它们是稳定的，且辐射的相干性和偏振不会影响结果。它们比单色仪提供的量级高出很多，但是可调激光对于中等或较长波长难以操作，而多波长激光仅限于有限的几个非均匀分布的波长。后者适用于绝对校准，见2.201.3.3 光束转换系统基本上有四种方法可将单色光束转到基准探测器或待测探测器。a) 将进入稳定光束的两个探测器进行机械调换:要么在每个波长处进行该操作;要么先后使用基准探测器和待测探测器对整个光谱进行扫描。第一种方法对调换动作具有较高的机械精度要求，尤其当使用了小型探测器和/或大的外罩时。而第二种方法要求系统的光谱条件具有较高的稳定性，包括辐射
23、源的稳定性、单色仪波长驱动的精确性以及基准探测器和放大器的稳定性。b) 双位交换镜。图2中展示了几种不同的方案。方案a)需要镜子的移动幅度较大，可能会导致狭缝图像变形较大。方案b)中镜子移动幅度较小，但要求两面平镜具有完全相同的光谱反射函数或者两个函数的比例是己知的。当成像元件是一个棱镜，或使用镜子时调换的方向与原方向垂直时，适用方案c)。这三种方案对镜子移动的机械精度要求很高，尤其在距离长且探测器小时更是如此。关于更多信息，见1.5。c) 扇形旋转镜:本方法如图1所示，其中M4镜是一个半圆形或多扇镜盘，轮流反射和传导辐射。镜子可以慢速或快速旋转，快速时将调制辐射传给两个探测器。d) 光束分离
24、器的优点是不需要进行部位移动。但是，它们可能会导致几种误差，如:1)传导与反光束的比例随着波长的变化而变化;2)两种光束的偏振随波长变化而变化(这两种误差由Mielenz(l979)讨论过);3)一些分离器会产生多个狭缝图像。这些不确定度表明，光束分离器应被用于代入法，如图3。本图中，AS是一个辅助标准，M4是一个小型反射镜，作为光束分离器，将全部辐射的一小部分导人AS。将光束分离器用于替代法的另一个优点是使辐射源不稳定性的影响最小化。1. 3. 4 基准探测器由于多数相对光谱响应度测量仪器只能产生两个探测器响应的比值，因此需要使用一个基准探测器。最常用的基准探测器是黑色表面的、平板或腔体形的
25、热探测器，如热电堆、测辐射热仪或焦热电探测器。通常假设黑面的平板探测器具有一个非选择性的光谱响应度函数。但是，在一些情况下这种假设可能不成立，如图4中所示，当使用的Hilger-Schwarz型FT16热电堆的光谱响应函数已知时。选择性可能来自于表面的光谱反射或窗口的光谱传导。非选择性只能在腔体探测器中实现，其黑色墙壁的多次反射(如图5)导致了所有波长上的高吸收率。关于更多详情，见1.5. 1。遗憾的是腔体探测器通常响应度较低、响应时间非常长，因此很少用于日常的光谱响应度测量。Blevin和Brown(l965)讨论过制作工艺不太复杂的黑色金薄膜测辐射热仪。它在相对大的区域内具有均匀的响应度，
26、且在较宽的光谱范围内是非选择性的。6 GB/Z 26209-2010/CIE 64一1984另一种基准探测器是荧光量子计数器。它由荧光材料如若丹明B和光电探测器(通常是光电倍增器)组成。荧光材料具有一种特性，即光子产出(放射光子比被吸收光子的值)在一定光谱范围内与激发波长元关。在有限的波长范围内，这些材料的量子效率具有非选择性。例如，若丹明B的非选择性范围是220nm600 nm，歌菁氯化铝的非选择性范围则是200nm750 nm。当然，还必须考虑到含量子计数器元件上窗口的光谱反射(Mielenz，1982); (Melhuish, 1972)。如果光谱响应函数能得到准确测量，则其他探测器也可
27、用作(最好是腔体探测器的)基准探测器。如果s()测量系统的光谱带宽较大，则选用的基准探测器最好与待测探测器具有相似的光谱响应度函数。1. 01 1. 00 0.99 0.98 0.97 热电堆IT16的相对光谱响应度生组譬组0.96 要古需0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 200 500 1000 1500 波长Inm圄4热电堆模型FT16的光谱晌应度(在德国PTB进行测量)图5带有镜面反射壁的锥形腔探测器示意图1. 3. 5 光学元件图1图3中都是使用反射镜而不是棱镜进行单色狭缝成像，只有图2c)除外。推荐使用反射镜是因为棱镜会产生色差，从而改变了作为波长函数的探测
28、器狭缝成像的尺寸。如果探测器表面的响应度不均匀，这种变化是应避免的。除非使用的是替代法，否则应测试这两个光束是否具有光谱等同性，以判断是否有必要进行修正(见1.5. 3)。7 G/Z 26209-2010/CIE 64-1984 不是所有情况下都能在狭缝图像处安装探测器。例如，当探测器的有效区域是圆形的，而狭缝图像只能照射到该区域一小部分时或者当图像比探测器大，从而部分辐射损失时。后者只有当单色辐射在图像区域均匀分布时才能被接受，而这种情况并不多见。要形成一个界限分明的圆形、方形或矩形单色场，可以在辐射源与瞄准仪之间或在瞄准仪与入口狭缝之间放置一个所需形状的挡板(挡板F，见图2)。挡板在出口狭
29、缝图像附近成像F，从而形成了一个所需的单色辐射场。然而，该辐射场的均匀性可能不够好，因此需要进行相应的测试与修正(见1.5. 2和1.5.的。1. 4 操作性考虑当确定了基本方法之后(1.2)，设计光谱响应度设备的下一步是确定关于光谱扫描技术，即是需要连续波长范围的扫描还是断续方式。影响这个决定的因素是基准探测器和待测探测器的时间常数。如图2所示的比较方法推荐断续方式，这样在一个探测器被照射的时候，可以测试另一个探测器的暗电流。使用快速旋转扇形镜片的比较方法推荐连续波长扫描，但是需要所有的探测器都足够快以应对调制辐射。替代法可以使用任一种方法。设计该设备时的另个考虑是希望能够在得到待测探测器信
30、号后立即获得光谱响应度函数的图像。这需要像现代的微处理器或电脑能够提供的实时数据处理，或在全光谱范围内光谱辐射保持不变。后一种方法已经在多篇论文中提及过(Mitsuhashi和Nakayama, 1956; Ramadan等，1982)。通常来自热基准探测器的信号被用在反馈回路以控制光掠或衰减器。这个技术是基于照射在基准探测器和待测探测器的两个光束的光谱完全一致并且热电堆的暗信号稳定的假设。但是，实际上所有的光束分离器都根据入射光波长的变化改变自身透射与反射能量的比例(Mielenz，1979)，尤其是在与具有依赖于波长的偏振特性的单色仪共同使用的时候。另外，这个技术需要基准探测器是非选择性的
31、。1. 5 误差的来源本节将尝试列出所有在相对光谱响应度测量中的主要误差来源并推荐诊断性测试以及修正方法。应注意的是，本节所列出的误差来菁、并不完整，而且诊断性测试以及修正方法也不是唯一的，其他方法也可以使用。1.5. 1 基准探测器1. 5. 1. 1 选择性涂有黑色材料的热基准探测器通常被认为是非选择性的。但是，热电堆是会产生偏离的(Bischoff, 1964;Betts, 1965) ，如圈4所示。诊断性测试可参考如下方式:1) 需要一个己知光谱能量分布的光源和一套精确已知光谱透射率的滤光器(Corrons和Zalewski，1978).从这些数据和假设的探测器非选择性响应度函数，可以
32、计算出探测器对没有经过滤光的光源和每个光源与滤光片组合后的响应并与测量数据进行比较。这个测试与通过滤光器方法确定光谱响应度函数的方法相关。但是，除非非常精确地知道每个滤光器的光谱透射函数并且通带很窄，否则该方法不能得出与非选择性偏离的修正。2) 一种诊断性测试是通过比较热电堆和带有空穴的探测器的光谱响应度函数，得到量化的修正值(Bischoff，1964; Betts, 1965; Eisenmann和Bates，1964; Zalewski, 1979)。3) 一些类型的热电堆可以测量光谱反射率，因此可以得到黑色涂层的吸收率。方法是(Gilham，1953):将一个带有可以使辐射光束通过的狭
33、空的半球镜子放置在可以使热电堆处于半球中心的位置上。通过这种安置，热电堆漫反射的辐射被返回到镜子上。然后将镜子倾斜，以使被热电堆反射的光不会辐射到感应区域。通过有反射辐射和没有反射辐射的信号之比，以及反射镜的反射率和几何位置，可以得到热电堆的光谱反射率。1. 5. 1. 2 暗信号和/或晌应度的漂移热探测器的暗信号和响应度会受到温度变化的影响。热电堆响应度温度系数可以达到O.5%/C。诊断性测试应该在常规操作环境下进行，但是需要人射光波长固定。对于暗信号漂移的修正测量方法是:使用调制辐射、温度稳定或者频繁的暗信号测量和数字修正或者使用只有一个或者两个主要部件被GB/Z 26209-201 O/
34、CIE 64一1984照射的补偿探测器。稳定的温度可以降低响应度的漂移。背景辐射对于热探测器的影响可以通过在测量暗信号时单色仪的人射狭缝处使用一个活动挡板来避免。1. 5. 1. 3 非线性大多数热探测器的响应度都需要有放大器增益。另外，棱镜单色仪的色散和光源光谱能量分布会产生很大的动态范围，并可能超出探测器-放大器组合的线性范围。除了非线性的精确测试方法，可用一个简单的试验来测试滤光镜的光谱透射比。通过另一个独立的采用与线性装置相同照射条件的试验得到的数据必须已知。测试必须包括动态范围的全部级别。通过控制光谱辐射来大致得到一个恒定能量的光谱CBudde和Dodd，1971)。之后，探测器只在
35、两个信号级别下工作z暗信号和用于单色辐射的独立于波长的信号。1. 5. 1. 4 时间影晌很多热探测器都有很长的时间常数。一个例外是热电探测器，它是交流电设备而不是直流电设备，因此，除了有较小的时间常数，锁相放大器的优点也成为可能。当在设备内以很快的频率开关光束或调制时，应细致地考虑时间常数。必须记住探测器随步进输入的输出只有在7个时间常数后才达到其最终信号的0.1%之内，或者，如果考虑上升时间(lO%90%)t，则是在3.2个时间常数后。(上升时间由t，= 2 2 .给出，其中=时间常数。)如果辐射是经过调制的，必须同时考虑用于放大和显示信号的电子系统时间常数与探测器的时间常数。探测器的响应
36、时间是否影响精度依藏于电子系统。当快速运行或其他的直流放大器与积分伏电压(Priu和Budde.1981)一起使用时，根据时间平均，热电偶的响应时间大于斩波频率的倒数。但是，如果使用的是锁相放大器，则响应时间一定小于斩波频率的倒数。这种情况的前提条件是式中:f一一为斩波频事;一一为响应时间。1. 5. 1. 5 非均匀性(2卢)2 12 =12 S2 1 Pl和P2一一是这两个光束所有光学元件的传导率和反射率;Sl和S2一一是两个响应度。所有的量都是光谱量。两个光电流的比例如下z然后将两个探测器调换，而两个光电流计算公式变成:从而两者比例变为:根据这些公式可以得出:11=P2 Sl .1 12
37、 = Pl S2 1 Pl/2=(rl/r2)1/2 . ( 1 ) .( 2 ) ( 3 ) 11 GB/Z 26209-20 1 O/CIE 64一1984在所有波长进行上述测量过程，以给出基准束和样品束的光谱效率差别的光谱修正函数。1.5.3.2 镜像移动的精确性若探测器非常小，如用于调制辐射的热电堆，或非常不均匀，则镜像移动的精确度必须很高。其精确度可通过以下方式来测试:用一个刀片半遮住表面均匀响应的探测器，如图80光谱响应度测量系统的镜像移动是以其止点之一为参照的，探测器安装在狭缝图像中，以便让刀片位于狭缝图像的中心。光电流与未遮住的图像部分呈以下比例关系:式中:h 狭缝图像的长度;
38、Wj一一未遮住部分的宽度;C一一一个常量。i j =c h Wj 镜子参考另一止点移动，然后回到被测止点。信号值的计算公式如下:i2 =c h W2 式中2W2 是未遮住部分的宽度。将刀片移开，计算出下列信号值zio =c h Wo 从这些公式中可以得出:若整个狭缝图像的宽度W。可测，如以毫米为单位，则图像在剩下两个位置之间的移动.W=WjW2可通过以下公式计算:.WmmJ=wo .江三主若lj二l2，则在测量精度范围内可重复移动。狭缝图像图81. 5. 3. 3 漫射杂散辐射1. 5. 2. 3已提到，漫射杂散辐射这个术语指的是探测器上来自单色仪之外的任何辐射。要判断是否存在这种杂散辐射，可
39、以在出口狭缝附近和探测器前面各插入一个活动挡板(或在这两个位置轮换安装同一个活动挡板)。如果探测器显示两个关闭活动挡板的信号完全一样，则不存在漫射杂散辐射。如果两个暗信号不同，必须安装相应的屏蔽装置。然而，如果单色辐射从房间墙壁漫反射或从光学系统元件漫散射，则此测试方法元效。检查上述情况是否存在，可以将活动挡板安装在光轴沿线的不同位置。使用热探测器时，如果安装的活动挡板导致了探测器处有辐射，则测试结果也是错误的。在这种情况下，建议使用合适的滤光器将活动挡板放射的GB/Z 26209-20 1 O/CIE 64-1984 红外辐射吸收，从而限定测试的有效波长范围。总的来说，在这些测试系统中，在单
40、色仪入口狭缝附近安装活动挡板或截光器是一个很好的方法，这样暗电流的修正包含了所有漫射杂散辐射的修正。1. 5. 3. 4 孔衍射如果圆孔直径小于10mm，且辐射测量的限定区域小于物体与图像距离的1%，则可能产生衍射误差。经研究(Blevin，1970)，这些误差可能在0.5%左右。用于减少漫射杂散辐射的挡板不应是圆形的(Boivin，1978)。1.5.4 待测探测器待测探测器的性能也可能会导致光谱响应度函数的测算误差。1. 5. 4. 1 非线性所有探测器都仅在某一输入范围内是线性的。应使用不同的方法来验证响应度测试相关的信号范围的线性(Sanders，1972)。测试非线性探测器(如大部分
41、CdS-元件)的光谱响应度函数时可以对测试系统进行调整，使得该探测器的输出在整个波长范围内保持不变(Bauer，1968)。关于更多详情，参考相关文献。电子设备使用不当时可能会大大减弱探测器的线性。因此，在使用电子设备测量光谱响应函数时应对其进行线性测试。1.5.4.2 暗电流修正必须经常对暗电流和放大器偏移进行修正。如果暗信号(放大的暗电流)偏移大，建议严格遵照一个基于时间的测量程序，在两次暗信号测量之间进行一次照射信号测量，以对照射信号时的暗信号进行插值计算。必须记录下暗信号的标记，以进行相应的暗信号修正。尤其在计算机控制的系统中，必须保证暗信号标记的记录是正确的。1. 5. 4. 3 非
42、均匀性很多探测器，尤其是带光电发射阴极的探测器，有效区域的光谱响应度具有较强的非均匀性。如果测量与实际应用的几何条件不能达到完全一致，则这些探测器的光谱响应测量是毫元意义的，即辐射区域的尺寸与形状以及该区域内辐射分布必须完全一致，且人射角度相似。为了避免这些问题，应在有效区域(Budde，1969; Boivin , 1981)前安装合适的漫射器CBoivin，1982)或漫射腔体，如积分球，来测量这种温射器-探测器组合的光谱响应度函数。如果不能添加漫射器，则应通过栅格状扫描探测器表面一个小辐射点来测量探测器的非均匀性，且采用一个小探测器栅形扫描辐光束来测量辐射的非均匀性。然后通过以下公式计算
43、出平均光谱响应度:|Is(工，y，i) E(x ,y ,i )dxdy s() =.1 J川C4 ) IIE(x，y，)dxdy 式中zz、y一一探测器有效区域平面的坐标;s(x，y，)一-x，y位置的光谱响应度;E(x，y，)一-x，y位置的光谱辐射。需要计算出每个波长A的s(x，y，)和E(x，y，)。1.5.4.4 偏移对于大多数探测器而言，响应度是一个温度的函数。通常温度系数是一个波长函数，对于各种探测器而言，温度系数在光谱的一部分上是正数而在其他部分上是负数(如硅-光电二极管或光电发射CsSb阴极)。因此，测量光谱响应度时探测器温度必须保持稳定，并被记录。为了达到最高精度，接下来探测
44、器的任何测量都应该在该温度下进行。13 GB/Z 26209-2010/CIE 64一1984如果光电倍增管最后几级超负荷，或光电阴极某一小部分的辐射密度过大，则会产生疲劳偏移。为了避免产生不可逆转的损害，通常会对光电倍增管的最大阳极电流或阴极辐射密度做出规定。但是，对于线性和非疲劳操作而言，最大允许的阳极电流应比厂家的宣称值低三个数量级左右。CdS和CdSe光导体中会产生滞后效应和光记忆效应。它们的响应度在很大程度上取决于上一次辐射。因此，在进行响应度测试前，应将它们曝光在至少250lx的辐射中或放在完全黑暗的地方(IEC 306-3，1970)。供电电压改变或有时辐射发生变化后光电倍增管中
45、可能会产生Hysteresis效应。响应度的这种短暂变化是由光电倍增管结构中电量分布的变化引起的。由于这种效应是暂时的，正确掌握测量的时间可以减少其引起的误差。1. 5.4.5 探测器窗口干扰如果用激光来提供单色辐射，则光束的高相干性会导致探测器窗口或平行面的玻璃滤光器中产生干扰效应。将此类滤光器倾斜放置可能会阻止相互干扰，但不能消除干扰效应。在多数情况下将平行面窗口替换成模形窗口可悄除由干扰引起的误差(Boivin，1981)。2 绝对校准基本上有三种方法将相对光谱响应度数据转换成绝对值:1)硅-光电二极管的自校准;2)电校准辐射仪。3)辐射标准。前两种方法的潜在精度最高，不确定度在土0.1
46、%左右。与相对光谱响应测量不同的是，没有一个简单的方法来验证探测器绝对响应度测量的精确性。通过检查所有可能的系统误差并从试验或理论上推算出每个误差的可能大小，可以对精确度进行估计。或者，也可以通过另一种不同的方法算出绝对响应度，然后对两个结果进行比较。前两种方法已经得到比较(Zalewski，1980; Boivin, 1983) ，结果显示一致性较好，差别不超过土0.1%。事实表明，使用这两种绝对校准方法可取得0.1%的精确度。2. 1 硅，光电二极管自校准由于本方法近期才得以开发，技术和探测器类型都有待改进。然而，即使在目前阶段，本方法也可用来进行准确的绝对校准，将在这里进行简单介绍。本方
47、法(Zalewski和Geist，1980; Geist等，1980)的依据是，在合适的硅-光电二极管中(见2.1.7), 内部量子效率，即产生的载体与被吸收的量子的比例，接近100%。实际值与理想的100%内部量子效率之间的小偏差是由光电二极管中的两次重组效应导致的。每次重组损失可通过相对实验方法来测量，从而能准确测算出实际内部量子效率。测量光电二极管的反射率时，需要算出外部量子效率。本文件中只描述了外部量子效率测算方法的实验部分。关于本方法的背景，结型光电二极管的各个过程和本方法的推算原理，请参考相应文献(Zalewski和Geist，1980 ; Geist等，1980;Geist等，1
48、982)。以下三节分别描述了外部量子效率的三种测量方法。绝对响应度的转换，光谱范围以及精确度等问题都在后面章节中讨论。2. 1. 1 反射率测量方法如果硅-光电二极管表面干净、十分光滑，则它的反射主要是镜面的，只有少量的漫反射。如果二氧化硅层厚度已知，根据公布的二氧化硅和硅的折射率(Malitson，1965; Philipp , 1972; Weakliem和Redfield, 1979) ，就可以测量或计算出镜面反射比(Born和Wolf，1965)。如果有一个cw的激光源，则镜面反射的测量相对简单。如果没有合适的辐射源，也可使用普通的单色源(Hughes，1982)并按照下述方法进行相应调整。若光电二极管有窗口，则测量反射率前应将其拆除。在本方法中，需要再装一个探测器R来测量R(1)位置的人射通量，如图9，并将待测探测器S拆除。将探测器S放在光束中测量R(2)位置的镜面反射通量。S反射率在一个小的人射角处测量，这
