（测试计量技术及仪器专业论文）基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统具有结构简单、成本低、测量 精度较高、易于实现便携式等优点，故而广泛应用于光纤通信及其他工业领域。 然而传统系统易受环境影响，这严重限制了其适用范围。因此，设计一种能消除 环境影响的基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统是必要的。 本文通过分析基于硅双结型色敏光电探测器的传统波长测量方法及环境对 传统系统的影响，提出了基于该类器件的环境补偿波长测量方法及其系统设计方 案。在此基础上，分别对硬件电路以及系统软件展开详细的设计、实施以及实验 验证。 本系统的硬件电路主要包括微控制器模块、光电流采集及调理模块、温度采 集模块、l c d 显示模块、r s 2 3 2 通信接口模块及系统电源模块。其中，微控制 器模块的核心是a d u c 8 1 4 ，光电流采集及调理模块包括光电流采集、电流电压 变换、信号滤波处理及信号线性转换等电路，温度采集模块由d s l 8 8 2 0 完成， l c d 显示模块通过s m s 0 4 0 1 实现显示功能，r s 2 3 2 通信接口模块由m a x 2 3 2 实现电平匹配，系统电源模块可提供- 4 - 5 v 及+ 4 0 9 6 v 等。 系统软件主要包括下位机系统软件和上位机系统软件两个部分。下位机系统 负责对光电流及温度的采集，并根据需要把采样数据上传给上位机处理或者由下 位机系统的离线工作模式直接完成数据处理及在l c d 上结果输出。上位机软件 则通过对下位机上传的数据进行处理和分析，最终获得并输出波长测量值或定标 参数，而且还可根据需要将定标参数下载到下位机上。 基于该系统，本文通过温度修正对比实验和环境光修正对比实验对传统方法 和环境补偿方法进行了比较并对本系统的性能进行了评价。实验表明，本系统在 环境影响下，环境补偿方法的波长测量精度为2 r i m ，相对传统方法有了很大的提 高；同时，也验证了环境补偿波长测量方法的可行性及降低环境影响的有效性。 最后，基于本论文相关研究工作的技术总结，对目前设计方案中存在的不足和可 能的改进方向进行了展望。 关键词：硅双结型色敏光电探测器，波长，光电流比，环境补偿，温度修正，环 境光，信号光，含噪光 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e w a v e l e n g t hm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e d o nd u a l - j u n c t i o ns i l i c o nc o l o r n s o r i sc h a r a c t e r i z e db ys i m p l es 仇l c n l r c ，l o wc o s t ，h i g hp r e c i s i o n , a n dp o r t a b i l i t y , s oi th a s b e e nw i d e l yu s e di n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do t h e ri n d u s t r i a l f i e l d s b u tt h e t r a d i t i o n a ls y s t e mi se a s i l yi n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t ，h e n c et h es c o p eo fi t s a p p l i c a t i o ni sg r e a t l yl i m i t e d t h e r e f o r e ，i ti sa l lu r g e n tt a s kt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a l s y s t e mt oe l i m i n a t ee n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lw a v e l e n g t hm e a s u r a l l e n tm e t h o db a s e d o nd u a l - j u n c t i o ns i l i c o nc o l o r $ c u s o ra n dt h ee n v i r o n m e n t a li n f l u e n c eo ns u c has y s t e m , a ne n v i r o n m e n t a lc o m p e n s a t i o nw a v e l e n g t hm e a s u r e m e n tm e t h o dw a sp r o p o s e d b a s e do nt h ed u a l - j u n c t i o ns i l i c o nc o l o rs d d s o r h e r 郫v i t h , a l li m p r o v e ds y s t e mw a g s t u d i 札i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o i h a r eb e i n gd e s i g n e da n dt e s t e d i nd e t a i l t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mc o n s i s t e do ft h em o d u l e so fm i c r o - c o n t r o l l e r , p h o t o c u r r e n ta c q u i s i t i o n a n dc o n d i t i o n i n g , t e m p e r a t u r es a m p i i n g , l c dd i s p l a y , r s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a n dp o w e rs u p p l y t h ec o r eo ft h em i c r o - c o n t r o l l e r m o d u l ew a ga d u c 8 1 4 t h ep h o t o c u r r e n ta c q u i s i t i o na n dc o n d i t i o n i n gm o d u l e i n c l u d e dc i r c u i t so f p h o t o c u r r e n ts a m p l i n g ，c u r r e n t - t o - v o l t a g ec o n v e r s i o n , a n ds i g n 丑l p r o c e s s i n g t h et e m p e r a t u r es a m p l i n gm o d u l ee m p l o y e dd s l 8 8 2 0t oa c q u i r et h e t e m p e r a t u r es i g n a l t h el c dm o d u l ew a gu s e dt od i s p l a yt h em e a s u l - e i i l e n tr e s u l to n t h es m s 0 4 0 1 t h er s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eu s e dm a x 2 3 2t o i m p l e m e n te l e c t r i cl e v e lm a t c h i n g t h eo u t p u t so ft h ep o w e rs u p p l yw c r c 士5 va n d 十4 0 9 6 v t h es y s t e ms o f t w a r ew a sc o m p r i s e db yt h el o w e r - a n du p p e r - e n dc o m p u t e r p r o g r a m s f o rt h e l o w e r - e n dm i c r o - c o m p u t e rp r o g r a m s ，t h ep h o t o c u r r e n 4a n d t e m p e r a t u r ew e 犯s a m p l e d , t h e nt h 0a c q u i r e dd a t aw o u l db ep r o c e s s e db yt h e l o w e r - e n dc o n t r o l l e rd i r e c t l yi nt h eo f f - l i n em o d e ，o rt r a n s f e r r e dt ot h eu p p e r - e n d c o m p u t e ri nt h eo n - l i n em o d e i nt h eo f f - l i n em o d e ，t h em e a s u r e dw a v e l e n g t hv a l u e w o u l db ed i s p l a y e do nt h el c d 。i nt h eo n l i n em o d e , t h eu p p e r - e n dc o m p u t e r p r o g r a m sw o u l da n a l y z ea n dp r o c e s st h ed a t af r o mt h el o w e r - e n da n dt h e ng e tt h e n 浙江大学硕士学位论文 w a v e l e n g t h o rc a l i b r a t i o np 绷e t e 璐i na d d i t i o n , d e p e n d i n g0 1 1t h eu s g i s r e q u i r e m e n t ，t h ec a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n t sc o u l db ed o w n l o a d e df r o mt h eu p p e r - e n dt o t h el o w e r - e n dc o m p u t e r b a s e do nt h ed e s i n e ds y s t e m , t w oc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sw e c a r r i e do u t o n e e x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e dt oc o m p a r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yb e t w e e nt h e i m p r o v e da n dt r a d i t i o n a lm e t h o d su n d e rt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ， t h eo t h e rw a su s e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w om e t h o d su n d e rt h e i n f l u e n c eo ft h ea m b i e n tl l g h t t h e s ee x p e r i m e n t sn o to n l yi n d i c a t e dt h a tt h e i m p r o v e dm e t h o dw a sm u c he t l o r ea c c u r a t et h a nt h et r a d i t i o n a lo n eu n d e rt h ea r b i t r a r y e n v i r o n m e n t , b u ta l s op r o v e dt h a tt h ei m p r o v e dm e t h o de f f e c t i v e l yr e d u c e dt h e i n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dt h ea m b i e n tl i g h to nt h ew a v e l e n g t h m e a s u r e m e n t f i n a l l y , t h ea s p e c t so ft h i ss t u d yw o l es u m m a r i z e d , a n dt h ep o s s i b l e i m p r o v e m e n t si nt h i ss c h e m ew e r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：d u a l - j u n c t i o ns i l i c o nc o l o rs e i 啪r ，w a v e l e n g t h , p h o t o e n r r e n tr a t i o ， e n v i r o n m e n t a lc o m p e n s a t i o n , t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o n , a m b i e n tl i g h t , s i g n a ll i g h t , n o i s e - i n c l u d i n gs i g n , a 1l i g h t i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 光是一种电磁波，其波长范围很广，从l n m 以下一直延伸到1 0 3 k m 以上。 按辐射类型分，可分为宇宙射线、x 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波 等。如图1 1 所示。在整个电磁波谱中，刺激人眼能够引起视觉的光辐射只有占 整个电磁波很小一段的可见光。一般可取波长范围3 8 0 h m 7 8 0 r i m 作为可见光的 范围。因而，狭义上的光就是指可见光【1 1 波长( m ) 1 0 - 1 41 0 1 2 】o 。1 011 0 - 61 0 r 41 0 - 2 嘉囊v 线x - - t ti 霾fl 红外线 曩l 无线电波 紫蓝绿黄红 3 8 0 4 0 0 5 0 06 0 0 7 0 07 8 0 波长( r i m l 图i - i 电磁辐射渡范围及可见光谱 只具有一个频率或波长的光称为单色光，比如激光就是一种很典型的单色 光。包含多种频率或波长的光称为复色光，它是由单色光混合成的，可表现为以 下几种光谱功率分布，即线光谱、带状光谱、连续光谱和混合光谱【1 1 ，如图1 - 2 所示连续光谱分布的复色光中有一类比较特殊的光，即准单色光，比如发光二 极管( l e d ) 发出的光就是一种典型的准单色光。准单色光的平均波长五”波 长带宽五，具有良好的单色性，与单色光的性质比较接近，一般可用其光强最 大处的波长即峰值波长以及波长蒂宽来表示该准单色光的光谱分布。 置山以山置公置蚁山山b 数 ( b )( c ) 图l - 2 几种典型的光谱分布 波长( 或峰值波长) 是光学测量中非常重要的物理量，通过对其测试可以获 得被测辐射的光谱特性与颜色参数以及其它相关信息，具有非常重要的意义。 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 随着光纤通信迅猛发展，光波长测量技术受到前所未有的重视。由于信息量 不断增大，导致人们对光通信传输带宽要求不断提高，光波分复用的密集程度越 来越高，被复用的光波波长相互间隔越来越小最终使得对光波长测量精度要求 的不断提高。因此光波长测量技术的高低是决定光通信发展状况的一个重要因素 之【2 】。从这一点来说，对光波长测量技术的研究具有较大的实用价值和理论意 义。 此外，波长测量还广泛应用于化工、医药、造纸、仪表仪器、环境保护等领 域。目前，测量波长主要有三类方法，即干涉仪法【3 】、光栅光谱测量法嘲以及双 光电探测器法。然而，干涉仪法不但系统复杂，对被测光束的方向性要求很高， 需要被测光正入射，且体积比较大，较难实现便携式；同时，光栅光谱测量法测 量波长都要借助于p c 机分析光谱，且价格相对较高；而双色探测器法具有结构 简单，成本低廉、测量精度较高、比较容易实现便携式等优点，目前发展非常迅 速。 双光电探测器又称双色探测器，通常由两种不同半导体材料的探测器组成， 两探测器具有两种已知的不同光谱响应灵敏度特性且采用叠层结构。对激光束探 铡时，激光束透过半透明的探测器1 入射到探测器2 ，根据两探测器输出的光电 流信号和探测器已知的光谱响应特性，就可测出入射波长。 目前，双光电探测器法大量地采用硅双结型色敏光电探测器，这主要是由以 下原因决定的。 首先，由于其结构简单、信号处理方便、工艺过程简单、测量分辨精度较高 等优点，使其成为一种很好的波长辨别器件。 其次，硅双结型色敏光电探测器朝着智能化、多功能等方向发展，这对基于 硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统的发展极为有利。目前，该探测器朝着 集成型和阵列型两个方向发展。前者满是了系统小型化、集成化、低功耗、便携 式的要求，而后者有利于提高对不均匀光束的测量精度。 可见，深入地进行基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量研究具有重大的 现实意义。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 在国际上，对于基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统或仪器的研究 起步较早。比如德国的卡塞尔大学的测量与自动化研究所在基本工作原理以及精 度方面对该类系统进行了一定的研究【4 】；法国格勒诺布尔第二大学的模拟电子实 验室从微电子的角度对该类测量系统进行了大量的研究，验证了该类系统的工作 原理，并研究了温度对该类系统的影响【鄂。目前，在国外比较著名的该类仪器只 有美国相干( c o h e r e n t ) 公司的w a v c m a t e 波长计和太平洋硅传感器股份有限公 司的w s 7 5 6p c b a 探头电路板 6 1 。前者使用方便，在脉冲激光波长测量时，单 次脉冲波长测量精度为* i n t o ，测量波长范围为4 5 0 1 0 0 0 n m 而后者仅仅是 一个半成品，不同的波长仅仅输出不同的模拟电压，需要后续的采样电路及数据 处理系统才能完成波长测量，使用很不方便。 在国内，对该类系统也有一定的研究。比如武汉大学物理科学与技术学院对 该类系统的复色光色差辨识能力f s j 和系统设计进行了研究，且此研究得到湖北省 的资助，成为湖北省科技厅重点攻关课题；上海师范大学物理系对该类系统的激 光波长测量精度进行了研究，且使得其设计的系统的精度达到了士2 5n i n e 9 ；北京 师范大学低能核物理研究所对该类系统的弱光进行了研究1 1 明且列为国家“8 6 3 ”计 划资助项目。 然而，国内外对该类系统受环境影响的研究相对较少，其中对环境光影响的 研究几乎是空白；对温度影响的研究只有法国格勒诺布尔第二大学从微电子的角 度进行了研究，但还没有给出温度影响的消除方法。目前，国内还没有该类系统 的产品，而国外同类产品的价格昂贵，不利于国内该类波长测量技术的应用。因 此。对基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量进行系统的研究，具有理论意义 和实用价值。 1 3 本课题主要研究内容 硅双结型色敏光电探测器的工作原理及其特性使该类系统的测量精度明显 地受环境光和温度的影响。为使该类系统在各种环境下都能够进行精确的测试， 提高其适用性，有必要对其受环境光及温度的影响进行深入探讨，并设计一套消 3 浙江大学硕士学位论文 除这些环境因素影响的方案，从而实现基于硅双结型色敏光电探测器的实用化波 长测量系统。 本课题的研究内容主要包括如下几个方面： ( 1 ) 通过对硅双结型色敏光电探测器的两结光电流与入射光辐射通量关系 的公式推导，了解硅双结型色敏光电探测器测量波长的工作原理。 ( 2 ) 从硅双结型色敏光电探测器的工作原理出发，研究环境光和温度对传统 的基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统的精度所产生的影响， 并提出消除环境影响的改进方案，即环境补偿波长测量方法。 ( 3 ) 根据环境补偿波长测量方法，设计一种能消除环境光和温度影响、成本 低廉、精度较高、性能稳定的基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量 系统。该系统包括定标工作模式和测量工作模式，而后者又可根据需要 可选择离线测量工作模式和在线测量工作模式。同时，本文还建立了适 用于两种测量工作模式的温度补偿环境光修正模型和只适用于在线测 量工作模式的温度校正环境光修正模型，前者耗资源少，后者在理论 上比前者精度更高。此外，根据传统方法的原理和该系统采集的数 据，还能模拟出传统方法的测量结果。 ( 应用设计的系统，在完成系统定标的基础上，进行温度修正对比实验和 环境光修正对比实验，分别从温度和环境光这两个角度比较环境对传统 方法和环境补偿波长测量方法的影响。通过对这两个实验数据的详细分 析，论证了环境补偿波长测量方法在环境适用性方面的显著提高。最后， 根据系统的不足提出了改进意见。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章光辐射计量理论基础 2 1 辐射度学基本概念 2 1 1 辐射通量 辐射通量吼又称为辐射功率( r a d i a n t p o w e r ) 只，是以辐射形式发射、传播 或接收的功率f l l 】，单位为w ( 瓦) ，其定义式为 。，= 丝d t 式中，幺表示辐射能，t 表示时间。 2 1 2 光谱辐射通量 光谱辐射通量奶是指辐射源发出的光在波长a 处的单位波长间隔内的辐射 通型1 1 1 ，单位为w r i m ( 瓦每纳米) ，其定义式为 卟警 ( 2 - 2 ) 2 1 3 辐射照度 在辐射接收面上一点的辐射照度等于照射在包括该点的一个面元上的辐射 通量d o , 除以该面元的面积d a n 】，其单位为w m 2 ( 瓦每平方米) ，其表达式为 e = 鲁( 2 - 3 ) 如果辐射通量均匀照射受照表面，则有 e = 导( 2 - 4 ) e c = 二 浙江大学硕士学位论文 2 2 光探测器的基本参数与特性 2 2 i 灵敏度 探测器的灵敏度s 又称积分灵敏度，也叫响应厦，表示探测器对入射光辐射 量敏感的程度，即单位光( 辐射) 通量霞产生的电流或电压响应量f 1 1 l 。当其为 电流响应量，时，单位为a w ，其表达式为 s ：三 垂c(2-5) 2 2 2 光谱灵敏度 光谱灵敏度s 阳又称光谱响应，表示光电探测器对不同波长入射光辐射敏感 的程度。若探测器对波长a 的光辐射通量晚产生的响应量为电流响应量，1 1 1 ，则 光谱灵敏度单位为a w ，其表达式为 ；可i 2 3 硅双结型色敏光电探测器的结构 硅双结型色敏光电探测器利用入射光在硅中的吸收系数与波长的对应关系 来探测入射光波长f 埘。该类器件按结构分可分为两大类，一种为n p n 双结色敏 器件，另一类为p n p 双结色敏器件。图2 - i 为p n p 双结色敏器件结构图。它由 一块硅片上两个深浅不同的p n 结构成【1 3 1 4 1 ，故又称为双结光敏二极管 浅结的p n 结p d l 对蓝光的响应良好，而对红光的响应很差；而深结的p n 结p d 2 则刚好相反，对红光响应良好，而对蓝光响应很差。 p n p 类双结型色敏器件的制作工艺简介5 1 习如下： ( 1 ) 选择p 型硅作衬底村料，热生长一层二氧化硅； ( 2 ) 用扩散方法制作p + 保护环，以防止表面漏电，减小暗电流； ( 3 ) 磷扩散制作n p 结二极管p d 2 ； 6 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 在n p 结上面光刻面积略小于p d 2 的扩散窗e l ；作硼扩散得到p d l ； ( 5 ) 光刻电极引线孔，随后蒸发铝； ( 6 ) 制作p d l 和p d 2 的电极引出线。 翳懿爨翳颡隧羹瀚 p + 一i n p 图2 1 硅双结型色敏器件结构图 2 4 硅双结型色敏光电探测器工作原理 2 4 1 单色光波长测量原理 、 上c a t h o d e p d 2 图2 - 2 等效图 图2 - 3 硅双结型色敏器件的一维模型 硅双结型色敏光电探测器工作时相当于两个并联的光电二极管，直日图2 - 2 所 示下面结合图2 - 3 的硅双结型色敏光电探测器的一维模型来详细介绍其工作原 理【5 ，14 1 6 1 。图中，x j t 和韧分别为p d l 和p d 2 的结深，厶、上口、厶分别为p + 层、n 层、p 层中少子扩散长度，形为硅片厚度。 假设器件光敏面为a ，光敏面上照射的是波长为工的入射光，其辐射照度均 匀且辐射通量为蛾，则其辐射照度为历= 丸翻。若令目矽为距离硅内表面工的光 子流密度，则毋功为硅内表面处的光子流密度，则有 f ( 0 ) = 丘( 1 一r 。) h v( 2 7 ) 7 浙江大学硕士学位论文 f ( x ) = f ( 0 ) e x p ( - a x ) ( 2 8 ) g ( x ) = f ( x ) a ( 2 - 9 ) 则i 层内能通过劫、对光电流作出贡献的光生电子流，为 ：竿笋州鸣卜e x p ( 一】( 2 - m a ) l 一乩 。 “ = 等篆三主铲c 唧c 一哟，一唧c 一净 。脚 可扩散到劢为p d 2 收集。现假定上半部分。至l j l ( x j 。+ _ ：) 的光生空穴只能扩散 到和，而下半部分妄( + _ z ) 蛰j x j ：的光生空穴则只能向即扩散，这臂，通过的 墨ix j l + x j 2 ；) 竺：乏章学，哪= 竿挚 晰吲一卅盟一警1 。 = 警皆t 晰嘞，侧一等一等b ( 2 - 1 1 - b ) 同理，通过助的光生电子流和光生空穴流分别为 耻笔挚 e x p ( - a x ：) 一e x p - a w 一争 ( 2 - 1 z - a ) 8 浙江大学硕士学位论文 耻竿挚t 州嘞，刮一鼍孚一之产， 若用辐射通量表示，则通过和的光生电子流和光生空穴流分别为 耻警 e x p ( - a - 沪戗p 【- a w - w 厶- x j 2 】 删) 耻兰 e x p ( - a x j z ) 吲一等掣一学z 彤协 式中，以为p d 2 的结面积。以上推导中假设了量子产额为l ，并略去了电子流和 空穴流的方向，只考虑其绝对值。 因此，p d l 和p d 2 的光电流i s c l 和i s c 2 与波长a 的关系就可表示为 l 一= g ( 是，+ & ，) ( 2 1 4 ) l 2 = g ( 最2 + 砖：) ( 2 1 5 ) 把式( 2 1 0 - b ) 、( 2 - l l - b ) 和( 2 1 2 - b ) 、( 2 1 3 - b ) 分别代入( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可得： l = 一警 甜c x p i ) - e x p 卜坐掣一警玎 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - 一 l 2 = q 4 a 。( 1 f - r a ) a 2 厶 酬飞：) - 卅警掣一等】 1 一鸣 谢c x p ( _ ) 一e x p _ 口矽一毕】 - l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ；! - - - - 一 1 + 吐， ( 2 - l6 ) ( 2 1 7 ) 由式( 2 - 1 6 ) 和式( 2 - 1 7 ) 显然可知厶以西将去除它们的公共因子 9 浙江大学硕士学位论文 堡坠堡掣，从而使得k j 弛与入射光辐射通量晚无关，只与吸收系数。 a h c 及其结构参数动、即、厶、厶、厶及有关。然而口与，i 关系密切，而结构参 数只与工艺相关。因此当结构参数与工艺确定时，k 以玉只与i 有关，即l ，佤西 是关于丑的函数，这为通过求k ，锄来确定入射光的波长提供了可能性。 由于入射光是单色光，则其光辐射通量也相当于波长工的光辐射通量岛， 则根据式( 2 6 ) 及( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可的p d l 和p d 2 的光谱灵敏度为 墨= q a l ( 矿1 - r x ) a &exp(-axj,)-exp(-詈，) ( 1 一鸸) 最( 五) = q a z 矿( 1 - r 。) a 3 , + 竺等芏w - x ：j 1 + 1 i i 一 ( 2 - 1 s ) ( 2 1 9 ) 根据式( 2 1 6 ) 、式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) 可知，对于单色光，有 i 。，i 。= 墨( 五) 最( 丑) ，则要通过k 以口来确定入射光的波长必要使得j 履玉具 有单调性。目前，通过工艺设定硅双结型色敏光电探测器的结构和材科，使得 西在短波长处有最大值，而例在长波长处有最大值，从而实现了k ，刀玉在 一定的波长范围内单调递减。因而通过对不同波长的入射光的厶胡刍测量，在 一定的波长范围内得到电流比值与波长一一对应的递减曲线，利用此曲线就能来 确定入射光的波长。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 。4 2 复色光的光谱响应 当入射光为辐射光时，则产生的光电流是单色入射光所产生的光电流的积分 结果。因此产生的两路光电流可以表示为 l = s $ 1 ( 五) 中 以( 2 - 2 0 ) l 2 = l 是( 旯) j 烈 ( 2 2 1 ) 式中吼为光谱辐射通量，岛彬和例分别为p d l 和p d 2 的光谱灵敏度。 复色光在硅双结色敏器件中的电流比可以表示为 。- - - l ：驻! 竺竺! 竺 i m l s 2 l ；l 归a ( 2 - 2 2 ) 对一个确定的色敏器件，岛彩和& 仞是确定的，因而根据式( 2 2 2 ) 可知，两 路光电流比仅与复色光源的光谱辐射通量嘞有关。一般情况下，复色光源可以 看作具有一定半波宽的高斯分布【s 】或者洛伦兹分布n r l ，在这个分布中，峰值波长 和半波宽的变化均会引起电流比的变化。因此用硅双结型色敏光电探测器只能求 得复色光峰值波长的近似值。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统方案设计 3 1 基于硅双结型色敏光电探测器的波长测量方法 3 1 1 基于硅双结型色敏光电探测器的传统波长测量方法 图3 1 传统方法的工作原理图 为了使得系统小型化，传统系统一般利用硬件实现光电流比的对数f 4 ，1 8 ，1 9 】， 如图3 - 1 所示。也有部分传统系统对光电流进行采集，然后利用软件获得光电流 比的对数 2 0 , 2 1 1 。然而这些系统缺乏对光电流的组成的细致分析，只是简单地求取 光电流比的对数，使得其对环境光没有抑制作用，从而系统工作环境仅限于特定 的环境中，限制了系统的适用范围。下面详细阐述环境光对传统系统的影响。 一般情况下，入射光可分为被测信号光( 简称信号光) 、环境光以及环境光 与信号光同时存在时的含噪信号光( 简称含噪光) 三种情况。则根据式( 2 2 0 ) 和式( 2 - 2 1 ) ，三种情况下硅双结型色敏光电探测器两结的光电流分别为 j = l 墨似) m - d a k = l 是 五净- 烈 j = l 墨( 五p ：积 l = l 是。弦j 以 jk ，= l s 。( 五净。烈+ l s 。( 啪：觎 l l ，= l 最以弦。烈+ l 是( 舻：积 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 式中，厶和易、乃和巧及五。，和五啦分别为信号光、环境光以及含噪光照射下色敏器 件浅结和深结的光电流，毋缈和品缈分别为浅结和深结的光谱灵敏度，奶和o ：分 别为信号光和环境光的光谱辐射通量，肌和肌，分别为信号光和环境光的光谱宽 浙江大学硕士学位论文 度。由此，信号光和含噪光的两结光电流之比的对数可以分别表示为 ，畸礼甙拦嚣 。q b 白礼颤搂等甓籀 对于准单色光，式( 3 - 4 ) 的值与准单色光峰值波长之间存在一一对应的单 调递减关系【4 1 ，所以可由式( 3 - 4 ) 测得信号光的峰值波长如。然而，传统的基于 硅双结型色敏光电探测器的波长测量系统实际上都是用式( 3 - 5 ) 近似式( 3 - 4 ) ， 却未考虑环境光的影响，因此，如果测试时的环境光与定标时的环境光不一致时， 就会引起很大的测量误差。 环境光对传统波长测量系统的影响主要是因为式( 3 5 ) 中妒仞的改变使两 结光电流对数比如g 伍“厶z j 发生变化，最终导致系统的波长测量误差。下面通 j 立m a t l a b 软件的仿真分析对该影响进行详细说明。本文系统中采用的色敏器件的 两结光谱灵敏度t h i s 彤a ) 、& 可分别近似表示为 s ，( = 7 0 3 5 x 1 0 - 1 5 岔+ 2 0 2 4 x 1 0 - 1 1 z 一1 7 2 8 x 1 0 8 刀 + 4 6 1 2 1 0 。7 磐+ 0 。0 0 4 9 0 8 五1 2 9 3 ( 3 - 6 ) s 2 ) = 1 9 7 6 1 0 - 1 4 名+ 6 3 5 5 x 1 0 - 1 1 8 8 3 x 1 0 - s 刀 + 6 5 6 4 x 1 0 。牙0 0 2 4 1 8 2 + 3 4 0 4 、 假设信号光和环境光都为半波宽为2 9 2 9 r i m 的l e d ，其光谱辐射通量可用高 斯函数【8 ，1 7 】近似地拟合为 卟e x 掣) ( 3 - 8 ) 。一酬等笋， o 柳 式中，七为环境光与信号光光强之比( 简称光强比) ，i ；为环境光的峰值波长。通 过设定不同的光强比参数k 和环境光峰值波长a ；参数，在m a t l a b 中仿真硅双结色 敏器件两结光电流之比的对数与信号光峰值波长b 的函数关系，可以分析和评估 不同蜂值波长与光强比的高斯型环境光对测量系统精度的影响。 浙江大学硕士学位论文 ( 一) 环境光峰值波长对测量结果的影响 飞 j ； 旦 图3 - 2 只改变环境光峰值波长时，信号光峰值波长与光电流比的对数的关系 假设环境光光强不变且k 为l 2 ，五；分别为6 0 0 n m 和7 5 0 n m ，则暗室中( 无环 境光) 的定标曲线和存在环境光干扰下的测量曲线如图3 2 所示。对于2 ；= 6 0 0 n m 的测量曲线，当如科；时，测得的l o g ( i t o o 厶因受环境光的影响而偏小，由于两 结光电流之比的对数与信号光波长的单调递减函数关系，所以波长测量值将偏 大，且由图3 2 可知，该偏差随如的减小而增大；同理，当砧硝：时，波长测量值 将因环境光的影响而偏小，且该偏差随轴的增加而增大。对于a ，d = 7 5 嘶l 的测量 曲线，也可以得到相似的结论。 ( 二) 环境光光强比对测量结果的影响 假设环境光峰值波长i ；不变且j ；为6 5 0 h m ，j 分别取为l ，l 陀，i 4 ，1 1 0 ，则 暗室中的定标曲线和存在环境光干扰下的测量曲线如图3 3 所示。可见，若环境 光与信号光的光强比越大，则环境光下的测试值和定标值的偏差就越大，因而波 长测量结果的偏差也越大 此外，由于硬件系统使用了各种半导体器件，而半导体器件作为固体电子器 件其许多性能参数都随温度变化而漂移，但是传统系统缺乏对温度影响的修正， 使得传统系统易受环境温度的影响。 浙江大学硕士学位论文 图3 - 3 只改变环境光光强时，信号光峰值波长与光电流比的对数的关系 3 1 2 基于硅双结型色敏光电探测器的环境补偿波长测量方法 为了消除环境对基于硅双结型色敏光电探测器波长测量系统测量精度的影 响，有必要研究新的测量方法，即本文提出的环境补偿波长测量方法。该方法直 接通过式( 3 - 4 ) 来获得信号光两结光电流之比的对数与被测光波长的函数关系 及被测光波长值，由此消除环境光的影响。 消除环境光的具体过程如下： ( 1 ) 测得环境光引起的两结光电流并作记录； ( 2 ) 打开被测信号光，再测量含噪光引起的两路光电流； ( 3 ) 用含噪光引起的两结光电流减去环境光引起的相应的光电流，获得信号 光的两结光电流，即利用式( 3 3 ) 减去式( 3 2 ) 可获得式( 3 1 ) ； ( 4 ) 利用式( 3 - 4 ) 获得光电流比的对数并以此获得信号光两结光电流之比的 对数与被测光波长的函数关系及被测光波长值。 可见，对于环境补偿波长测量方法而言，没有特别指出含噪光的光电流比 的对数，故光电流比的对数仅指信号光的光电流比的对数。 在消除环境光影响的基础上，增加对温度影响的修正，以消除温度的影响。 飞?o-i)6旦 浙江大学硕士学位论文 具体修正方法主要有两种，分别记为温度校正环境光修正模型和温度补偿环境光 修正模型。令波长五与光电流比的对数l o g ( 1 1 1 2 ) 及温度r 的关系式为 2 = f ( 1 0 9 ( i i l z ) ，习，则温度校正环境光修正模型主要分为以下几个步骤： ( 1 ) 根据各个定标光源的各个温度与其对应的光电流比的对数，获得各个 定标光源( 波长分别为的温度和光电流比的对数的关系式 l o g i ( i i 1 2 ) = g i ( t ) ，其中i 表示定标光源的编号： ( 2 ) 根据环境温度测量值z k 获得该温度下各个定标光源的光电流比的对 数，记为l o g i _ r m ( 1 1 1 2 ) ( 3 ) 根据丑和l o g i _ r 讲1 1 1 9 动态拟合算出砌温度下波长和光电流比的关系式 ) = f ( 1 0 9 ( 1 1 z ) ，删，记为2 = f r m ( 1 0 9 ( i i 1 2 ) ) ： ( 4 ) 把待测光的光电流比的对数f d g f 刀代入2 = f n , r ( 1 0 9 ( 1 l i z ) ) j t j t 得待测光 的波长。 温度补偿环境光修正模型是基于以下近似推导获得的。把基准温度乃及 地蚋力矽下测得的波长值2 r o = f ( 1 0 9 ( 1 l l , z ) ，黝作为基准波长，则l o g ( 1 l 1 2 ) r 下的 波长测量偏差值为 五= f 0 0 9 ( v 1 2 ) d f ( 1 0 9 ( i a 2 ) ，t o )( 3 】o ) 对( 3 l o ) d p 的f ( 1 0 9 ( 1 l i g , t ) 在( 1 0 9 ( 1 l i z ) ，到处进行l 阶泰勒展开【2 3 】，有 f ( 1 0 9 ( 1 l 1 2 ) ，1 ) 2 f ( 1 0 9 ( i , 1 2 ) ，t o ) + 叮一t o 豢f o o g ( r q 1 2 ) ，t o ) o - n ) 把( 3 1 1 ) 代入( 3 一l o ) 可得 肖 龇5 ( r t o 蠢f ( 1 0 9 ( i i 1 2 ) ，t o ) 3 - 1 2 ) 式中( r t o ) 与刍f ( 1 。g “i ：) ，t 0 ) 分别是关于t 和l o g ( i 。i ：) 的函数。因此，可得 a 2 = g ( t ) x h ( i o g ( 1 i z ) ) ，其中g r 刀为引起波长偏差值的温度因子，h ( 1 0 9 ( 1 j i g ) 为l 起波长偏差值的光电流比的对数因子。温度补偿环境光修正模型的主要分为以 下几个步骤： ( 1 ) 基于l o g i ( i f l z ) = g i ( t ) ，获得多个温度乃下各个定标光源( 波长分别为屯) 的光电流比的对数l o g i _ r l ( 1 ，i z ) ，并把其中的乃及嗡耐? ，儡胙为基准 1 6 浙江大学硕士学位论文 温度及基准温度下各个定标光源的光电流比的对数，i 和_ ，分别为定标 光源的编号和选取温度的编号； ( 2 ) 由蛔l 巧( 1 1 i 0 受 获得多个温度乃下光电流比的对数和波长的关系 2 = f ( 1 0 9 ( 1 l i z ) , 矽，记为2 = f r f l o g ( 1 l i z ) ) 。基准温度下光电流比的对数和 波长记为, l = f o ( 1 0 9 ( i i 1 9 ) ； ( 3 ) 选取l o go ( i i 1 2 ) 作为基准光电流比的对数，并把该值分别代入 a 响f z 昭仍力砂可得多个温度乃及l o go c l l i z ) 下的波长值a 驴并求出而 与基准温度而及基准光电流比的对数蛭卵黝下的基准波长值z 彤的 差，可得l o g _ o ( i i i z )