拼接型短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性分析

紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)一致性影響高光譜成像儀器的動(dòng)態(tài)范圍，研究高光譜成像用拼接型短波紅外探測(cè)器在同一光譜維的響應(yīng)均勻性對(duì)提高高光譜成像性能有重要意義。量子效率是衡量紅外探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換性能的重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量探測(cè)器的光譜響應(yīng)率可更加準(zhǔn)確地測(cè)算量子效率曲線。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“拼接型短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性”為主題的文章。該文章第一作者為廖清君，通訊作者為胡曉寧研究員，主要從事紅外光電器件的理論及工藝方面的研究工作。

本文分析了不同中心波長(zhǎng)和不同半帶寬的濾光片對(duì)短波紅外探測(cè)器測(cè)量光譜響應(yīng)率的影響，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)光譜響應(yīng)的準(zhǔn)確測(cè)量，提出采用光譜響應(yīng)率及其非均勻性來(lái)評(píng)價(jià)光譜成像用拼接型紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)性能。

試驗(yàn)材料、儀器與方法

樣品的準(zhǔn)備

所用樣品為中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的高光譜用碲鎘汞短波紅外探測(cè)器，響應(yīng)波段為1.0~2.5 μm，規(guī)格為2000×256，中心距為30 μm×60 μm，由512×256器件拼接而成，其中，2000方向?yàn)榭臻g維，256方向?yàn)楣庾V維，器件示意圖如圖1所示。由于探測(cè)器是由四個(gè)不同的探測(cè)器拼接而成，光譜維上的探測(cè)器的光譜響應(yīng)一致性對(duì)高光譜成像應(yīng)用顯得尤為重要。實(shí)驗(yàn)中對(duì)四個(gè)512×256探測(cè)器模塊進(jìn)行了絕對(duì)光譜響應(yīng)的測(cè)量，濾光片選用瑞典Spectrongon公司的五個(gè)型號(hào)的窄帶濾光片。

圖1 2000×256拼接型碲鎘汞短波紅外探測(cè)器

樣品光譜響應(yīng)率測(cè)量

測(cè)量紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)率一般有兩種方法。一種方法是通過(guò)測(cè)量探測(cè)器的黑體響應(yīng)率和相對(duì)光譜響應(yīng)。另一種方法是測(cè)出響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)某一波長(zhǎng)點(diǎn)上的絕對(duì)響應(yīng)，再根據(jù)相對(duì)光譜響應(yīng)推算到整個(gè)響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，某一波長(zhǎng)點(diǎn)的獲取比較難，一般用光譜寬度比較窄的帶通濾光片讓某一窄波段范圍的光入射到探測(cè)器表面，近似為該光譜寬度中心波長(zhǎng)點(diǎn)的絕對(duì)響應(yīng)。文中試驗(yàn)采用第二種方法。

文中試驗(yàn)采用《紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試方法》（GB/T 17444）對(duì)探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)和窄帶性能進(jìn)行測(cè)試。

樣品相對(duì)光譜響應(yīng)的測(cè)量

相對(duì)光譜響應(yīng)是紅外探測(cè)器的重要特性之一，描述了探測(cè)器響應(yīng)率與入射波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系。相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試一般采用傅里葉變換法和光柵分光法。傅里葉變換法采用傅里葉變換紅外光譜儀、前置放大器等組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)紅外器件的光譜響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。采用傅里葉變換法測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)，探測(cè)器上接收的光信號(hào)是按傅里葉頻率調(diào)制的信號(hào)，與動(dòng)鏡掃描速度和測(cè)量的波數(shù)相關(guān)，即便是通過(guò)儀器函數(shù)進(jìn)行校正，由于FTIR光譜儀中的IR光源相當(dāng)于具有一定溫度范圍的輻射體而非單一溫度黑體，光源的光譜分布以及探測(cè)器在短波一側(cè)的響應(yīng)一般較低，仍然會(huì)造成探測(cè)器在短波方向的相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)量誤差。

光柵分光法用一個(gè)寬譜光源經(jīng)光柵分光產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)變化的單色光，記錄被測(cè)探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的響應(yīng)。這兩種方法獲得的光譜響應(yīng)一般是探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)，是探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)響應(yīng)，典型的碲鎘汞短波紅外探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)如圖2所示。由于衍射效率和高級(jí)次衍射，光柵元件的工作范圍一般都比較窄，最長(zhǎng)波長(zhǎng)不超過(guò)最短波長(zhǎng)的兩倍，采用光柵分光法測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)，測(cè)量器件的不同波段需要切換光柵，為了在不同波段有足夠的信噪比，還有需要更換光源和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。文中試驗(yàn)采用光柵分光的方法測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)。

圖2 典型的碲鎘汞短波紅外探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線

窄帶性能測(cè)量

探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)量有明確的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，因此，探測(cè)器光譜響應(yīng)率的關(guān)鍵在于窄帶性能的準(zhǔn)確測(cè)量。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的高光譜用碲鎘汞短波紅外探測(cè)器的響應(yīng)波段為1~2.5 μm。為了準(zhǔn)確判斷探測(cè)器的光譜特性，希望能在1~2.5 μm波段范圍內(nèi)選擇幾個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行窄帶性能測(cè)試、比較。濾光片選用瑞典Spectrongon公司的五個(gè)型號(hào)的窄帶濾光片，如表1所示，如果能準(zhǔn)確獲得窄帶響應(yīng)，結(jié)合相對(duì)光譜響應(yīng)曲線，則可以獲得短波紅外焦平面探測(cè)器的光譜響應(yīng)率。表1中的半帶寬（FWHM）指濾光片最高透過(guò)率的1/2處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，左右波長(zhǎng)相減得到；截止范圍是指除了有效帶寬以外，要求截止的波長(zhǎng)范圍；截止深度（OD）指截止帶中允許能透過(guò)光的最大透過(guò)率大小，OD=?lg（TOD）。OD3表示透過(guò)率TOD低于0.001，OD4表示透過(guò)率TOD低于0.0001，OD5表示透過(guò)率TOD低于0.00001。

表1 濾光片的性能參數(shù)

結(jié)果與討論

窄帶濾光片測(cè)試性能分析

假設(shè)探測(cè)器的截止波長(zhǎng)為2.6 μm，光敏元大小為30 μm×60 μm，測(cè)試杜瓦的F數(shù)為0.9，F(xiàn)數(shù)為探測(cè)器光敏面至冷光闌開(kāi)口的距離與冷光闌開(kāi)口孔徑之比，讀出電路的積分時(shí)間為4.4 ms，積分電容為65 fF，探測(cè)器的量子效率按0.7估算，濾光片的截止范圍為190~3200 nm，截止深度OD3，根據(jù)黑體輻射出射度的計(jì)算公式可以估算探測(cè)器的輸出信號(hào)。

由于濾光片帶外截止不是完全截止，都有一定的透過(guò)率，因此估算了帶外完全截止（理想濾光片）和OD3的帶外截止深度的信號(hào)對(duì)比，以評(píng)估窄帶濾光片帶外截止對(duì)窄帶性能測(cè)試的影響。表2為測(cè)試時(shí)冷屏上安裝不同濾光片時(shí)，根據(jù)濾光片透過(guò)率曲線估算的探測(cè)器輸出電壓。

表2 不同濾光片下的輸出信號(hào)比較

從表2的數(shù)據(jù)比較可以看出，在黑體溫度為80℃下，4#和5#這兩種濾光片帶外截止深度OD3時(shí)對(duì)窄帶性能測(cè)試影響很小。1#濾光片1~2.6 μm波段范圍輻射到樣品表面的光子數(shù)2664遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于窄帶帶通范圍1.22~1.23 μm范圍的光子數(shù)35。這是由于黑體輻射的能量分布在短波方向比較少，OD3的濾光片在帶外截止波段范圍輻射到樣品表面的光子數(shù)較多，圖3為黑體輻射透過(guò)1#濾光片輻射到樣品表面的光子數(shù)密度分布的理論計(jì)算結(jié)果。從圖3可以看出，黑體溫度為140℃的測(cè)試條件下，OD3濾光片的帶外截止性能不能滿(mǎn)足短波1.225 μm的窄帶測(cè)試性能，目前市面上難于獲得黑體溫度高于140℃的黑體，如果濾光片的截止深度可以做到更低或者增加短波窄帶濾光片的半帶寬，可以更好地抑制帶外截止的輻射影響。

圖3 黑體輻射透過(guò)1#濾光片到樣品表面的光子通量密度分布

圖4為黑體輻射透過(guò)5#濾光片到樣品表面的光子通量密度分布的理論計(jì)算結(jié)果。從圖4可以看出，黑體溫度為80℃的測(cè)試條件下，5#濾光片的帶外產(chǎn)生的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于帶內(nèi)波段的光子數(shù)，可以用于準(zhǔn)確測(cè)量窄帶信號(hào)。

圖4 黑體輻射透過(guò)5#濾光片到樣品表面的光子通量密度分布

表3列出了黑體溫度為140℃時(shí)，在1.2 μm附近估算的短波波段不同半帶寬和不同截止深度的濾光片對(duì)窄帶性能測(cè)試的準(zhǔn)確性的影響。

表3 不同帶外截止深度和不同半帶寬的濾光片輸出信號(hào)比較

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，濾光片的半帶寬增加到200 nm，帶外截止深度達(dá)到OD5的情況下，才可以忽略帶外的黑體輻射對(duì)帶內(nèi)的窄帶性能測(cè)試的影響。市面上短波窄帶濾光片既要有較大范圍的帶外截止，而且截止深度達(dá)到OD5的水平，濾光片難獲得，而且價(jià)格比較昂貴。

光譜響應(yīng)率測(cè)試

根據(jù)前面的分析，短波紅外焦平面探測(cè)器用5#濾光片，即中心波長(zhǎng)為2.47 μm、半帶寬為50 nm、截止深度OD3的窄帶濾光片可以準(zhǔn)確測(cè)量窄帶性能，5#濾光片的透過(guò)率曲線如圖5所示，同時(shí)，2.5 μm附近的窄帶響應(yīng)是系統(tǒng)應(yīng)用比較關(guān)注的性能。因此，測(cè)量2.47 μm處的窄帶響應(yīng)，根據(jù)該響應(yīng)和相對(duì)光譜響應(yīng)推算其他短波波段的光譜響應(yīng)，這比直接測(cè)量短波1.2 μm的窄帶性能可行性和準(zhǔn)確性更高，探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線短波方向誤差比長(zhǎng)波方向稍大，這也是在推算光譜響應(yīng)率時(shí)造成誤差的主要原因。為了解決這一問(wèn)題，利用相對(duì)光譜響應(yīng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的探測(cè)器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，采用該方法來(lái)獲得被測(cè)探測(cè)器準(zhǔn)確的相對(duì)光譜響應(yīng)。

圖5 5#濾光片的透過(guò)率曲線

根據(jù)《紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試方法》對(duì)四個(gè)512×256探測(cè)器進(jìn)行了相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試，波長(zhǎng)的步進(jìn)為50 nm，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)一致性非常好。同時(shí)對(duì)探測(cè)器的2.47 μm處50 nm半帶寬的窄帶響應(yīng)率進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)2.47 μm處的絕對(duì)光譜響應(yīng)，結(jié)合相對(duì)光譜響應(yīng)，按比例推算，得到探測(cè)器的光譜響應(yīng)率。圖7為四個(gè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)率曲線，從圖7可以看出，原本相對(duì)光譜響應(yīng)一致性非常好的四個(gè)探測(cè)器，其光譜響應(yīng)率由于每個(gè)譜段的絕對(duì)響應(yīng)差異而出現(xiàn)了分離，圖8為計(jì)算的四個(gè)探測(cè)器光譜響應(yīng)非均勻性，從圖中可以看出，探測(cè)器在1 μm、1.9 μm和2.5 μm處的響應(yīng)非均勻性分別為6.23%、6.06%、4.07%。相比傳統(tǒng)的測(cè)量探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)和黑體響應(yīng)率的方法，采用光譜響應(yīng)率可以更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性，有利于探測(cè)器在高光譜成像中的合理應(yīng)用。

圖6 短波紅外探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線

圖7 短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)率曲線

圖8 短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)非均勻性

結(jié)論

綜上所述，本研究對(duì)高光譜成像用拼接型短波紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，提出采用光譜響應(yīng)率及其均勻性來(lái)評(píng)價(jià)光譜成像用紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)性能。分析了80℃和140℃不同的黑體溫度下，選擇不同半帶寬以及不同帶外截止深度的窄帶濾光片時(shí)，帶外信號(hào)對(duì)窄帶性能測(cè)試誤差的影響。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)短波紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)，中心波長(zhǎng)2470 nm、半帶寬50 nm、截止深度OD3的濾光片在測(cè)量短波紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)率時(shí)，能夠保證足夠小的半帶寬同時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)量窄帶性能。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)光譜響應(yīng)和窄帶性能，獲得了光譜響應(yīng)范圍1.0 μm ~ 2.5 μm的碲鎘汞短波紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)率。光譜響應(yīng)率測(cè)量實(shí)現(xiàn)了拼接型短波紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)的定量化測(cè)量，有助于探測(cè)器在高光譜成像應(yīng)用中更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和應(yīng)用。

審核編輯：劉清