碲镉汞光电检测器的线性化的制作方法

1.本公开涉及光电检测器补偿。


背景技术：

2.用于在短波长红外波段(约1.4μm至3μm)、中波长红外波段(约3μm至8μm)、长波长红外波段(8μm至15μm)和远红外波段(15μm至1000μm)中的波长下使用的典型光电检测器表现出对输入光辐射的非线性响应。在一些应用中，此类非线性不会明显地限制检测器的可用性，但是在其它应用中，即使与线性响应的微小偏差也会产生问题。例如，一些应用需要在跨越6个或更多数量级的功率范围上检测光辐射。任何检测器非线性使得小信号值和大信号值的比较不准确。在诸如傅里叶变换光谱学的应用中，检测器非线性以与所研究的样本的性质无关的方式引入或增强频率分量。需要解决这些和其它限制的方法。


技术实现要素：

3.方法包括将经调制的光束引导到测试光电检测器，以及获得与测试光电检测器对经调制的光束的第一部分的检测相关联的光信号的调制幅度。基于来自测试光电检测器的光信号的调制幅度，确定可操作用于线性化测试光电检测器的至少一个第一校准系数，并将其存储在存储器设备中。在一些示例中，经调制的光束的第二部分被引导到参考光电检测器，以获得与参考光电检测器对经调制的光束的第二部分的检测相关联的光信号的调制幅度。基于来自测试光电检测器和参考光电检测器的光信号的调制幅度，确定至少一个第一校准系数。
4.代表性ftir系统包括光电检测器、存储器设备和处理器，该存储器设备存储与光电检测器相关联的至少一个校准系数，该处理器经耦合以接收响应于光电检测器的照射的光信号并且基于至少一个校准系数来线性化光信号。在一些示例中，至少一个校准系数包括校准系数a、b、c中的一者或多者，其中与测量的光信号i
meas
相关联的线性化的光信号i
linear
被产生为i
linear
＝aexp(bi
meas
)+c。在一些示例中，处理器经耦合以基于接收到的光信号的到第一放大器和第二放大器之间的网络节点的反向计算来线性化光信号。
5.通过以下参照附图进行的详细描述，本技术的前述和其它特征和优点将变得更加明显。
附图说明
6.图1示出了包括线性化hgcdte(mct)光电检测器的代表性傅里叶变换红外光谱仪(ftir)。
7.图2示出了用于基于参考光电检测器线性化光电检测器的系统。
8.图2a至图2c示出了可利用诸如图2中所示的系统获取的光电检测器校准数据。
9.图3a示出了建立静态光电检测器校准系数并基于校准系数进行光信号的线性化的代表性方法。
10.图3b示出了基于所选校准系数来线性化光信号的代表性方法。
11.图4示出了建立动态光电检测器校准系数的代表性方法。
12.图4a示出了用于动态校准的代表性光束调制。
13.图4b和图4c示出了与动态线性化相关联的数据采集。
14.图4d示出了动态校准的代表性方法。
15.图5示出了包括处理系统的代表性光谱系统，该处理系统提供线性化的光信号。
16.图6示出了包括处理系统的代表性光谱系统，该处理系统提供线性化的光信号，并且提供电流偏移以用于在耦合以进行附加放大之前减少光信号的dc分量。
17.图7是适于提供用于动态或静态线性化的光信号的代表性dc耦合放大器的示意图。
18.图8是适于提供用于动态或静态线性化的光信号的另选的代表性dc耦合放大器的示意图。
19.图9示出了基于到参考节点的反向计算的动态或静态光电检测器校准的代表性方法。
20.图10示出了用于使用可变光衰减器或可变光源来线性化光电检测器的代表性系统。
具体实施方式
21.如本文所使用，“样本光电检测器”及“测试光电检测器”是指待校准的光电检测器。在一些情况下，单个样本检测器的校准足以与具有相同配置或类型的其它光电检测器一起使用。另选地，各个光电检测器可以被提供有它们自己唯一的校准系数，该校准系数可以被存储在与每个光电检测器耦合或一起提供的处理器可读存储器设备中。在一些示例中，使用校准的或固有线性光电检测器来比较和校准对光束调制的响应，并且此类光电检测器被称为“参考光电检测器”。参考光电检测器可以是固有地适当线性的光电检测器，或者可以使用先前校准的测试光电检测器作为参考光电检测器。在以下示例中，为了方便说明，描述了hgcdte(mct或碲镉汞)光电检测器的校准以及此类校准的mct光电检测器的使用。但也可使用其它紫外光光电检测器、可见光光电检测器或红外光光电检测器或用于其它范围的光电检测器。在一些情况下，光电检测器可以在一些电路连接中线性地操作且在其它电路连接中非线性地操作，并且可根据需要针对任何或所有配置执行校准。
22.所公开的方法通常被示出为使用参考光电检测器来产生光信号，该光信号将被用于被测试的光电检测器的线性化或其他补偿。在其他示例中，可以为光源或可变光衰减器提供参考电信号以产生参考光束。在这些示例中，线性化或补偿可以基于参考电信号。虽然具有线性响应的参考检测器便于校准，但是可以使用具有已知响应特性的任何光电检测器。在示例中，光电检测器和相关联的电子器件(例如，放大器)被称为产生dc信号分量或被dc耦合。如本文所使的，此类光电检测器和相关联的电子器件产生光信号，该光信号包括与接收到的光辐射的平均值相关联的信号贡献。因此，光信号反映平均值和光谱诱发的调制两者。在一些示例中，使用多个放大器级，并且在此类示例中，仅第一级(耦合到光电检测器的级)必须被dc耦合，使得可以产生指示所接收的光辐射的dc分量的信号部分。如果信号的dc分量已被完全消除，则后级放大器可被ac耦合。然而，由于dc分量通常没有被完美地去
除，所以可以优选地使整个放大器链dc耦合。利用如下文所讨论的适当测量和处理，后续放大器级不需要被dc耦合。在以下示例中，与光信号测量相关联的平均光信号值指示递送到测试光电检测器的功率并且被称为e
eff
。在一些示例中，测试光电检测器校准系数是动态的，并且作为e
eff
或平均功率的其它测量的函数而变化。如本文所使用，静态校准系数是指基于e
eff
或平均光信号的其他指示无变化地获得的值；动态校准系数是指作为e
eff
或平均光信号的其他指示的函数的值。
23.所公开的方法的一个示例性应用是ftir。虽然mct检测器通常用于ftir中，但如果需要，可类似地补偿其它检测器，诸如基于氘化三甘氨硫酸酯、钽酸锂、ingaas、硅或锗辐射热测量计的热电检测器或其它光电检测器。
24.在下文中，参考线性化讨论光电检测器输出信号的校正或补偿，即，将光电检测器输出信号或基于光电检测器输出信号的信号补偿为与检测到的光功率成比例。可以提供其它类型的补偿，使得光电检测器输出信号相对于检测到的光功率具有其它预定关系。在下文讨论的示例中，讨论了线性化，其中补偿的光电检测器输出信号或其他信号与检测到的光功率在5％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.01％或更小范围内成比例。光电检测器补偿在所公开的方法中也称为校准，并且基于特定模型(指数)获得校准或补偿参数，但是校准参数也可以基于二阶、三阶或四阶多项式、贝赛尔曲线或其他函数。在下文的一些示例中，描述了hgtecd(“mct”)检测器的校准，但可类似地校准其它检测器类型。“光电检测器输出信号”是指由光电检测器响应于接收的光辐射而产生的电流、电压或其组合。术语“信号”是指响应于光电检测器输出信号的处理而产生的时变电流或电压。此类信号可对应于已被放大、滤波或以其它方式处理的光电检测器输出信号(作为模拟信号或数字信号)。为了方便起见，光电检测器输出信号和响应于光电检测器输出信号的信号(诸如经处理的光电检测器输出信号)在本文中通常被称为“光信号”。另外，虽然信号指的是时变电流或电压，但是此类随时间变化可以被获得并存储为对应于存储在处理器可读存储器设备中的一系列信号幅度的数字表示。这些数字信号通常被定义为表示模拟信号的时间变化。例如，一系列光信号值i(n)也被称为具有由n定义的时间变化的光信号，其中n＝0、1、
…
、n-1，其中n是正整数。如本文所用，i可指光功率或响应于检测到的光功率的光信号。在一些示例中，为了方便起见，光信号被表示为电压v，因为在许多实际应用中，光信号被处理为电压。然而，根据光电检测器类型和电路布置，光信号可以基于光诱导的电流、电压或电阻。
25.光辐射是指以在约100nm和1mm之间的波长处传播电磁辐射。在一些情况下，光辐射被称为以有限体积传播，并且被称为光束。光功率是指与光束相关联的每单位时间的能量，因此与相关联的电场的平方成比例。
26.如上文所指，静态校准或补偿系数是指独立于光信号的平均值而提供光信号补偿(诸如线性化)的值；动态校准或补偿系数是指基于平均光信号的变化(通常基于确定一个或多个静态校准系数对平均光信号的依赖性)提供光信号补偿(诸如线性化)的值。
27.示例1。补偿的检测器ftir
28.参照图1，代表性的ftir系统100包括光源102，该光源将光束引导至分束器104，该分束器将光束部分105a、105b递送至相应的反射器106、108，该反射器将光束部分105a、105b反射回分束器104以形成组合光束105c。样本112位于入射到检测器110(诸如mct检测器)的组合光束105c的路径中。平台114耦合到反射器106以通常通过连续或逐步扫描来改
变光束部分105a、105b之间的光路长度。扫描响应于存储在处理器可读存储设备的部分118中的处理器可执行指令而启动，该处理器可读存储设备作为控制系统120的一部分提供，该控制系统还包括cpu或其它可编程或专用处理器硬件(诸如fpga、cpld或asic)。在此示例中，控制系统120耦合到光电检测器110并接收与反射器106的扫描相关联的光信号111。在此示例中，光信号111在模数转换器(adc)122处被数字化，并且然后使用存储在处理器可读存储设备的部分124中的处理器可执行指令和校准参数来线性化或补偿数字光信号123。
29.与扫描相关联的数字化光信号可以被称为干涉图，或者如果已经应用了补偿则被称为线性化或补偿的干涉图。对于与n个光路长度差相关联的样本扫描，干涉图包括针对n个光路长度差的一系列n个光信号值igs(n)，n＝0、
…
、n-1。在一些示例中，数字化和线性化或其他补偿处理可以在将光信号递送到控制器系统120之前执行。在一些情况下，光电检测器是向光电检测器110提供合适电偏置(如果需要的话)的检测系统的一部分，并且包括adc以向控制系统120提供数字光信号。线性化参数可由控制器120存储在处理器可读存储设备的部分124中并从该部分检索。然后使用存储在处理器可读存储设备的部分128中的处理器可执行指令对线性化的光信号125(干涉图)进行傅里叶变换，以产生一系列的值fftk(igs)，其中k是整数，通常k＝0、
…
、n/2-1，以对应于i(gs)。在大多数应用中，执行没有样本的背景扫描，并且获得对应的背景光信号(即，背景干涉图igb(n))并对其进行傅里叶变换。线性化样本光信号和背景光信号的傅里叶变换的对应分量的比率fftk(igs)/fftk(igb)被获得并且被提供作为ftir系统光谱输出。
30.样本112通常能够从组合光束的路径移除，使得样本112可被收回以执行背景扫描。在一些应用中，可以使用抽空的样本池或填充有优选材料的样本池。尽管图1示出了透射ftir，但在其它示例中，光束从样本表面反射、在样本中全内反射，或以某些其它方式与样本相互作用。另外，检测器(诸如用于ftir的mct检测器)的线性化仅是所公开的方法的示例，并且这些方法可以与其他测量系统、检测器一起使用，并且可以在其他波长范围中使用。
31.示例2。利用静态系数的线性化
32.在一些示例中，可以通过选择一个或多个静态或动态校准系数来提供光电检测器补偿(诸如线性化)。例如，可以使用指数函数
[0033][0034]
来线性化mct光电检测器，
[0035]
其中a
cal
、b
cal
和c
cal
是静态校准系数，f
cal
是经补偿的(通常是线性化的)光电检测器输出信号，v
mct
是没有补偿的光电检测器输出信号。更普遍地，使用此类校准系数，一系列光信号值in(n＝0、
…
、n-1)可以被线性化以产生一系列线性化的光信号值其中
[0036][0037]
光信号in可对应于电流、电压、电阻或响应于光束的其它电特性。光信号in可以是与放大、滤波或应用于光电检测器信号的其它处理相关联的处理信号。在一些示例中，应用线性化或其他处理以包括放大、滤波或其他处理的效应。通过使用放大的光电检测器信号执行校准，与放大或其他光电检测器处理相关联的非线性或其他响应特性可以连同光电检测器的响应特性一起被补偿。
[0038]
图2示出了用于mct光电检测器202的线性化的代表性系统200。系统200包括耦合到可变光源206的控制器204，该可变光源产生入射到分束器210的光束208。分束器210将光束208的相应部分引导到mct检测器202和参考检测器212，该参考检测器产生与在参考检测器212处检测到的光功率成比例的参考光信号。参考检测器212可以是产生合适比例输出的光电二极管或其它检测器，或者是与校准电路组合产生比例输出的检测器。由mct 202和参考检测器212产生的光信号被耦合到相应的放大器214、216或其它放大、缓冲或滤波电路，并且对应的光信号被递送到控制器204。
[0039]
控制器204可操作以改变光束208的功率并接收与mct检测器202和参考检测器212相关联的对应变化光信号。在一些示例中，周期性地调制(诸如正弦调制)由可变光源206产生的光束功率，使得光束208与一定范围的光功率相关联。控制器204可以包括模数转换器和处理器可读存储设备，使得输入光信号被数字化并且被存储为参考光信号幅度i
ref
和mct光信号幅度i
mct
，诸如分别在图2a和图2b中所示的。图2a示出了参考检测器212对光束208的正弦调制的基本正弦响应，而图2b示出了mct检测器对相同正弦调制的相应响应，该响应表现出失真。图2c是i
ref
和i
mct
相对于彼此绘制的曲线图，其示出由mct检测器208产生的光信号偏离参考检测器212的线性响应。对于线性响应，i
ref
和i
mct
的图将是直线。mct检测器线性化可通过将i
mct
的值曲线拟合到线性响应值i
ref
来提供，如下文详细讨论。
[0040]
光束208的光束功率可以逐步变化，具有包括锯齿调制和三角调制的其他周期性或非周期性调制，和/或具有可变或固定的dc偏移。
[0041]
示例3。利用静态校准系数的线性化
[0042]
参照图3a，将光信号线性化为与检测到的光功率成比例的代表性方法300包括在301处获得补偿数据，诸如上文讨论的i
ref
、i
mct
。虽然方便的是i
ref
是检测器光信号的线性函数，但是可以使用其他已知的响应。在302处，选择线性化函数f，诸如指数、多项式、贝赛尔曲线或函数。特定分析格式(诸如连续函数)是方便的，使得可以针对所有值获得任意光信号的补偿，但是可以使用一些或所有所选数据对(i
ref
,i
mct
)来为i
mct
的所选值和通过例如内插确定的其他值提供线性化。在304处，通过曲线拟合到f或以其他方式处理补偿数据，从而确定定义补偿函数的任何系数。例如，如果补偿函数
[0043][0044]
被选择(其中i
l
(i
mct
)是与i
mct
相关联的线性化的光信号值)，静态校准系数a
cal
、b
cal
以及c
cal
通过曲线拟合来确定，诸如使用最小二乘拟合过程来最小化然后，f(i
mct
)＝i
l
((i
mct
)是从未补偿光信号i
mct
获得的线性化的光信号。在306处，将恒定校准系数a
cal
、b
cal
和c
cal
中的一者或多者存储在存储器设备中。
[0045]
如图3a中进一步所示，可以使用恒定校准系数a
cal
、b
cal
和c
cal
。线性化的代表性方法307包括在308处接收一个或多个感兴趣的光信号，以及在310处通过使用校准系数a
cal
、b
cal
和c
cal
或对应于校准函数的查找表的计算以及从处理器可读存储设备检索的内插过程，使用补偿函数f来处理这些光信号。在312处，输出线性化的值i
l
(i
mct
)。
[0046]
示例4。利用校准系数的缩减集的线性化
[0047]
在一些应用中，对平均光信号值不感兴趣，或者通过滤波去除dc分量而被去除。在这些应用中，线性化的光信号i
l
可以作为可以作为产生，因为与c
cal
相关
的贡献或者通过过滤被去除，或者不是所感兴趣的。对于这些应用，仅可以使用a
cal
和b
cal
，并且仅存储和/或检索这些值。
[0048]
在使用基于比率的测量的系统中，进一步简化是可能的。在此类系统中，获得与所研究的样本和参考相关联的光信号，即获得作为与样本相关联的的一系列光信号值和与参考相关联的一系列光信号值线性化样本和参考光信号值包括值a
cal
作为因子，使得在比率中有效地去除了值a
cal
在线性化中的任何应用，其中和和分别是与样本和参考相关联的线性化光信号值。
[0049]
在一些应用中，以不同于仅作为简单比率的方式来处理样本和参考光信号值。例如，在ftir光谱仪中，与样本和参考两者相关联的光信号被傅里叶变换，并且感兴趣的样本光谱作为相应fft的对应分量的比率而获得。在这些应用中，校准常数a
cal
也被fft比率有效地去除，并且因此不需要被应用于线性化并且不需要被存储用于此类用途。
[0050]
例如，如图3b中的方法350所示，在352处，基于一个、两个或三个校准系数来选择校准过程。在354处，从处理器可读存储设备检索所选校准系数，并且在356处所选校准系数用于线性化一个或多个输入光信号。在358处，输出线性化的信号。
[0051]
示例5。动态校准
[0052]
上述恒定(或静态)校准方法可以显著地减少光信号和/或光电检测器非线性，但是不补偿光信号或光电检测器中的响应于输入光束的加热或其它变化。例如，光电检测器温度的变化可以与校准系数值的偏移相关联。在一些应用中，此类偏移是可接受地小的并且静态校准系数值是足够的。为了解决响应于输入的校准系数值的偏移，可以基于总光信号来细化校准系数值。总光信号可被视为与施加到光电检测器且被称为有效能量e
eff
的总热负载相关联，该总热负载可以作为n个光信号值ik的总和或平均值而获得，如：
[0053][0054]
可以使用估计e
eff
的其他方法，诸如使用从先前测量获得的光信号值。此方法特别适用于使用连续扫描的ftir，其中信号值在扫描之间不会快速变化。另选地，在ftir系统中，与远离0路径差的光学延迟相关联的光信号可用作平均值的近似值。然而，为了获得e
eff
，必须获得dc光信号值并且光信号必须在处理中的至少一个位置处包括dc分量，使得e
eff
是可用的。如上文所讨论，补偿可以包括归因于光电检测电子器件(诸如放大器及滤波器)的效应，而非仅光电检测器的效应。用于建立e
eff
的光信号值在合适间隔内获得，以对应于当前光电检测器温度或与感兴趣的测量相关联的其它光电检测器或处理电路效应。
[0055]
如上文所讨论，当使用指数函数时，线性化可以基于一个、两个或三个校准系数。在上文讨论的一个示例中，仅使用校准系数b
cal
。此方法特别适合于其中对dc或平均值不感兴趣并且使用与参考测量值的比率的应用。对于仅使用校准系数b
cal
的校准，需要dc值来确定用于动态补偿的e
eff
，但是除此之外不需要这些dc值。在此示例中，校准系数b
cal
可动态地补偿为：
[0056]bcal
(e
eff
)＝a
dbcaleeff
+b
dbcal
，
[0057]
其中a
dbcal
和b
dbcal
是用于校准系数b
cal
的动态补偿的动态校准系数，并且不对应于
上文使用的a
cal
和b
cal
。为了确定b
cal
(e
eff
)，必须估计这些附加校准系数的值。在一种方法中，具有dc和调制分量的光束可以被引导到被测试的检测器。改变dc分量允许e
eff
的变化，并且调制的分量允许在e
eff
的多个值下确定校准系数a
cal
、b
cal
和c
cal
。可以使用诸如上文讨论的曲线拟合。
[0058]
参照图4，确定一个或多个动态校准系数的代表性方法400包括在402处选择光束调制幅度和频率。这些通常被选择为处于或接近检测器将被使用的范围。在404处，选择平均光束功率p
ave
，并且在406处，将具有所选调制和平均光束功率的光束施加到样本检测器和参考检测器。典型的光束调制在图4a中示出，图4a示出了调制分量450和452处的平均(或dc)值p
ave
。在408处，多次tj测量分别与样本检测器和参考检测器相关联的光信号is(tj)、i
ref
(tj)。在410处，使用is(tj)和i
ref
(tj)连同对应于e
eff
的平均光信号值如上文所讨论地确定一个或多个校准系数。在414处，存储校准系数和相关联的e
eff
。在416处，确定是否需要光束功率的附加值处的校准数据。如果是，则该方法返回到404处以选择光束功率。如果否，则可以在418处利用动态校准来提供所选校准系数。
[0059]
通过改变平均光功率，可以针对变化的e
eff
值获取数据集，如图4b所示，图4b示出了利用不同平均光功率获取的数据集461-465的e
eff
值。每个数据集提供针对相关联的e
eff
的一组一个或多个校准系数(即，a
cal
、b
cal
和c
cal
中的一者或多者)。图4c示出了针对与数据集461-465相关联的e
eff
的各种值的作为e
eff
的函数的b
cal
的变化以及线性拟合470，该线性拟合定义了在420处存储的动态校准系数a
dcal
和b
dcal
。
[0060]
在其它示例中，动态地改变两个校准系数。除了如上所示的b
cal
之外，a
cal
可以动态地获得为
[0061]acal
(e
eff
)＝a
dacaleeff
+bd
bcal
，
[0062]
其中a
dacal
和b
dacal
是动态校准系数，用于利用上文讨论的相同的校准数据is(tj)和i
ref
(tj)动态补偿校准系数b
cal
。
[0063]
图4d示出了动态线性化480的代表性方法。在482处，接收感兴趣的一个或多个光信号，并且在484处，基于接收到的光信号、来自先前的类似测量的光信号、基于平均光信号幅度提供给一个或多个光信号放大器电路的电偏移来获得平均光信号值(对应于e
eff
)或者以其他方式获得平均光信号值。在486处，可从处理器可读存储设备中的查找表检索一个、两个或两个以上校准系数，或通过内插或以其它方式从所检索的值计算一个、两个或两个以上校准系数。可以基于平均光信号值来调整a
cal
、b
cal
和c
cal
中的一者或多者。在488处，使用与接收到的光信号的平均值相关联的至少一个动态校准系数来线性化接收到的光信号。
[0064]
示例6。代表性的ftir测量
[0065]
在ftir中，获得与样本相关联的光信号和与背景相关联的光信号，使得所测量的光谱反映样本而不是背景中所包括的任何无关效应。在ftir中，可以在没有校准系数的全集的情况下执行线性化。例如，获取背景干涉图向量b＝b0、
…
、b
n-1
和样本干涉图向量s＝s0、
…
、s
n-1
，其中每一者都是一系列n个光信号值。如上文所讨论，可以使用校准系数来校正背景干涉图和样本干涉图。使用符号“^”来表示经校正的(即，线性化的)值，使得线性化的背景干涉图向量和样本干涉图向量的第n个元素为：
[0066][0067]
和
[0068][0069]
平均值可以通过减法去除；所得到的向量和元素用符号“～”来表示，使得
[0070]
并且
[0071][0072]
这些简化为：
[0073]
其中
[0074][0075]
以及
[0076]
其中
[0077][0078]
使用大写字母来表示傅立叶变换，即作为矢量b和s，线性化的0均值背景干涉图和线性化的0均值样本干涉图的傅立叶变换的第k个分量是：
[0079][0080]
和
[0081][0082]
在ftir中，比率tk＝sk/bk是感兴趣的量，并且显然公因数是a
cal
抵消。因此，在ftir中，去除平均值的背景干涉图和样本干涉图的线性化可以执行为：其中ik是干涉图或其傅立叶变换的第k个分量。
[0083]
示例7。代表性光谱仪
[0084]
参照图5，经补偿的光谱仪系统500包括光谱仪502，该光谱仪将与光谱分量相关联的光束的部分耦合到检测器504(诸如mct检测器)。该检测器向dc耦合放大器506提供光信号，该dc耦合放大器将经放大和/或经滤波的光信号提供给处理系统508，该处理系统可以包括adc(未示出)、处理设备、以及处理器可读存储设备，该处理器可读存储设备包括用于线性化、确定e
eff
、存储恒定和/或动态校准的部分510、512、514，以利用一个、两个或三个校准系数利用动态或恒定校准提供线性化的输出。
[0085]
图6示出了经补偿的光谱仪系统600，该光谱仪系统包括与图5的光谱仪类似的光谱仪602和耦合到光电检测器604(诸如mct光电检测器)的第一放大器(dc耦合放大器)606。放大器606耦合到第二放大器608以将光信号引导到处理器系统610。在此示例中，处理器系统610经耦合以在光电检测器604未暴露于任何光束时建立该光电检测器的固定输出，从而减少归因于暗电流的表观信号贡献。如果需要，处理器系统610还经由数模转换器(dac)614向放大器606提供一个或多个控制信号，以使用存储在存储器设备中的处理器可执行指令来选择放大器增益和偏移。通过调整偏移和增益，放大器范围可以用于光信号的ac部分，并
且相关联的数字光信号可以使用全范围。来自dc耦合放大器606的光信号和由adc 614提供的任何偏移可以用来建立用于动态校准的e
eff
。处理系统610可存储校准系数和用于线性化、确定e
eff
、动态校准及选择一个、两个或三个校准系数的处理器可执行指令。
[0086]
示例8。代表性的光电信号放大器
[0087]
参照图7，与光电检测器702一起使用的代表性放大器700包括第一运算放大器706和电阻器708，该电阻器被布置为基于从光电检测器702接收的光电流的跨阻抗放大器。电阻器708的电阻可以被选择以为任何检测到的光信号提供合适的电压输出。第一运算放大器706将光信号提供给第二运算放大器710，该第二运算放大器提供光信号电压输出v
out
。第一运算放大器706还耦合到峰值检测器712，该峰值检测器将来自第一运算放大器706的峰值光信号幅度的指示作为数字信号提供给处理器714。处理器714耦合到dac 716和数字电位计718，该数字电位计经由数字控制器电阻r
pot
建立由运算放大器710提供的偏移和增益；dac输出耦合到缓冲放大器720并且经由电阻器722耦合到数字电位计718；增益基于比率r
pot
/r2(出于解释的目的，虚线指示数字信号路径)。偏移可以被设置为具有小幅度，并且增益被设置为使得光信号幅度匹配可用数字和/或模拟电压范围，包括与任何下游adc相关联的范围，但如果需要，可以使用附加的增益级。
[0088]
处理器614还被耦合以将数字偏移信号提供到dac 726，该dac将模拟偏移信号提供到缓冲放大器728。此数字偏移信号在没有输入光信号的情况下与光电检测器信号相关联，并且用于从在第一运算放大器706处接收的光信号中至少部分地去除暗电流。光电检测器702耦合到电源电压vs，并且所产生的相关联的偏置电流730可用合适的数字控制的偏移电压来偏移。
[0089]
如上文所公开的，输出信号v
out
通常被数字化和线性化。在一些示例中，由运算放大器706和电阻器708形成的跨阻抗放大器通常是充分线性的，使得参考节点732处的任何非线性是由于光电检测器702引起的。光电检测器和参考节点之间的增益是固定的；校准系数可以相对于参考节点732来测量。输出v
out
是分别施加到数字电位计718和dac 716的数字增益和偏移信号的函数，使得输出信号v
out
可被反向计算以提供参考节点732处的光信号值以用于线性化。线性化可以基于该节点，其中校准数据与该节点相关联。
[0090]
如图7所示，输出电压v
out
由v
out
＝v
osgos
+v
rngsig
给出，其中v
os
是偏移电压(即，由dac 716提供的电压)，g
os
是偏移增益(即从dac 716到运算放大器710的输出的增益)，v
rn
是参考节点732处的电压，并且g
sig
是从参考节点732到运算放大器710的输出的信号增益。可以看出g
os
和g
sig
由分别由和给出。电阻r
pot
是数字控制信号n
pot
的函数，使得g
os
和g
sig
都是可变的。反向计算的参考节点电压v
rn
则为：
[0091][0092]
利用针对参考节点732获得的一个或多个静态和/或动态校准系数，将如上文所讨论的线性化应用于v
rn
。
[0093]
dac 716接收控制信号(诸如控制字n
dac
)，并且数字电位计718接收来自处理器714的控制信号(诸如控制字n
pot
)，以分别建立v
os
和r
pot
。在一个示例中，控制字将v
os
和r
pot
分别建立为和其中r
max
是可获得的最大电阻，m是数字电
位计718的位分辨率，v
ref
是dac的参考电压，并且k是dac 716的位分辨率。利用这些数字信号，可以完成反向校准。另外，可以设置v
os
和r
pot
，以减小v
out
中的dc分量并且设置由第二运算放大器710提供的增益。
[0094]
线性化可以由处理器714或其它处理器来完成，并且如果要在别处计算增益和偏移，则根据需要，与其它参数一起提供v
out
、n
pot
和n
dac
。
[0095]
示例9。具有电流注入的代表性光电信号放大器
[0096]
在许多示例中，为了线性校正，需要dc耦合放大器，因为入射到光电检测器的经调制的光学信号的dc分量是较大的。然而，在ftir测量中，光谱学家对dc分量几乎没有分析兴趣。因此，在另选的放大器配置中，除了上文所讨论的偏移v
os
之外，在信号链中引入与dc光信号分量幅度相反的dc分量。此引入的dc分量可以确保放大器级(诸如第一级)不饱和。第一级放大器通常是跨阻抗放大器，这是因为其具有优良的线性度，但此类放大器通常具有有限的电流驱动能力，这限制了跨阻抗放大器反馈电阻器(例如，图7中的r1)可以有多小。这又意味着对于第一级存在最小实际增益。与具有小的叠加干涉图的大dc光信号分量相组合，放大器饱和是可能的，特别是对于其中产生附加dc分量的热样本。
[0097]
图8中所示的放大器系统800可以解决可能的跨阻抗放大器饱和。放大器系统800类似于图7的放大器系统，但包括电流源802，该电流源在dac 816的控制下将电流i
set
连同光电检测器电流一起注入到运算放大器706。如果不需要将此电流偏移引入光电检测器电流，则可以禁止电流注入。电流i
set
抵消光电流的dc部分，并且在应用线性化之前作为乘积r1i
set
被添加到电压v
rn
(即，参考回参考节点732的v
out
)。在该配置中，v
os
通常可以被设置为0。放大器系统800被示出为提供来自处理器的线性化的输出，但线性化可在远程处理系统处提供，该远程处理系统接收v
out
以及n
dac
、n
pot
、v
ref
和i
set
或反向计算到参考节点732所需的其他参数。
[0098]
示例10。具有反向计算的代表性线性化方法
[0099]
参照图9，方法900包括在902处测量输出光信号以及在904处将光信号幅度反向计算到参考节点。该反向计算可以基于应用于光电检测器信号的增益和/或偏移。在906处，选择线性化方法和对应的线性化系数，诸如与单参数或多参数静态或动态补偿相关联的那些。在908处，检索校准系数，并且在910处，线性化反向计算的光信号，并且在912处存储线性化的反向计算的光信号。在ftir测量中，计算并存储或显示反向计算的光信号的fft。
[0100]
示例11。利用可变光源或光学衰减器的校准
[0101]
参照图10，代表性的光电检测器校准系统1000包括耦合到处理器系统1010的可变光源1006和/或可变光衰减器1008，该处理器系统可操作以分别利用相应控制信号(诸如控制电压v
ls
、v
attn
)来改变光束1010中的光功率。光束1010被引导到测试光电检测器1012，该测试光电检测器产生被引导到放大器1014的光信号，并且对应的放大的光信号被耦合到处理器1014，典型地耦合到adc，以提供数字光信号，该数字光信号具有可以与v
ls
或v
attn
的相关值一起存储在存储器设备处理器1024中的值，该相关值可以在上文公开的任何校准过程中使用。
[0102]
代表性实施例
[0103]
实施例1是一种方法，该方法包括：将经调制的光束引导到测试光电检测器；获得与所述测试光电检测器对所述经调制的光束的第一部分的检测相关联的光信号的调制幅
度；基于来自所述测试光电检测器的所述光信号的所述调制幅度，确定可操作用于线性化所述测试光电检测器的至少一个第一校准系数；以及将所述至少一个第一校准系数存储在存储器设备中。
[0104]
实施例2包括根据实施例1所述的主题，并且还包括：将所述经调制的光束的第二部分引导到参考光电检测器；获得与所述参考光电检测器对所述经调制的光束的所述第二部分的检测相关联的光信号的调制幅度；以及基于来自所述测试光电检测器和所述参考光电检测器的所述光信号的所述调制幅度，确定所述至少一个第一校准系数。
[0105]
实施例3包括根据实施例1-2中任一项所述的主题，并且进一步指定基于产生所述光束的光源的可变激活或放置在来自所述光源的所述光束的路径中的可变衰减器来建立所述光束的所述调制，并且基于来自所述测试光电检测器的所述光信号的所述调制幅度和所述光源的所述可变激活或可变衰减来确定所述至少一个校准系数。
[0106]
实施例4包括根据实施例1-3中任一项所述的主题，并且进一步指定所述光信号是光电检测器信号。
[0107]
实施例5包括根据实施例1-4中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个第一校准系数仅包括一个第一校准系数。
[0108]
实施例6包括根据实施例1-5中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个第一校准系数包括与基于具有偏移的指数函数的线性化相关联的三个第一校准系数。
[0109]
实施例7包括根据实施例1-6中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个第一校准系数包括校准系数a、b、c，其中线性化的光信号被产生为i
linear
＝aexp(bi
meas
)+c，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。
[0110]
实施例8包括根据实施例1-7中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个第一校准系数包括第一校准系数b，其中线性化的光信号被产生为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。
[0111]
实施例9包括根据实施例1-8中任一项所述的主题，并且进一步指定所述第一校准系数a、b、c是常数。
[0112]
实施例10包括根据实施例1-9中任一项所述的主题，并且还包括：改变被引导到所述测试光电检测器的所述经调制的光束的平均功率；基于所述经调制的光束的所述变化的平均功率来确定至少一个第二校准系数，其中所述第二校准系数是与所述第一校准系数中的所选的一个第一校准系数的平均功率依赖性相关联的至少一个动态校准系数；以及将所述至少一个第二校准系数存储在所述存储器设备中。
[0113]
实施例11包括根据实施例1-10中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个第二校准系数与所述校准系数b相关联。
[0114]
实施例12包括根据实施例1-11中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个动态校准系数包括两个校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关联。
[0115]
实施例13包括根据实施例1-12中任一项所述的主题，并且还包括将测量的光信号线性化为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。
[0116]
实施例14是ftir系统，该ftir系统包括：光电检测器；存储器设备，所述存储器设
备存储与所述光电检测器相关联的至少一个校准系数；和处理器，所述处理器经耦合以接收响应于所述光电检测器的照射的光信号并且基于所述至少一个校准系数来线性化所述光信号。
[0117]
实施例15包括根据实施例14所述的主题，并且进一步指定所述至少一个校准系数包括校准系数a、b、c中的一者或多者，其中与测量的光信号i
meas
相关联的线性化的光信号i
linear
被产生为i
linear
＝aexp(bi
meas
)+c。
[0118]
实施例16包括根据实施例14-15中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个校准系数包括校准系数b，其中与测量的光信号i
meas
相关联的线性化的光信号i
linear
被产生为i
linear
＝exp(bi
meas
)。
[0119]
实施例17包括根据实施例14-16中任一项所述的主题，并且进一步指定所述存储器设备存储至少一个动态校准系数，其中所述处理器基于所述至少一个校准系数和所述至少一个动态校准系数来线性化所述光信号。
[0120]
实施例18包括根据实施例14-17中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个动态校准系数与所述校准系数b相关联。
[0121]
实施例19包括根据实施例14-18中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个动态校准系数包括两个动态校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关联。
[0122]
实施例20包括根据实施例14-19中任一项所述的主题，并且还包括将测量的光信号线性化为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。
[0123]
实施例21包括根据实施例14-20中任一项所述的主题，并且还包括耦合到所述光电检测器的dc耦合放大器。
[0124]
实施例22包括根据实施例14-21中任一项所述的主题，并且进一步指定：所述放大器包括第一放大器和第二放大器，其中所述第一放大器是耦合到所述光电检测器的dc放大器；并且所述处理器经耦合以向所述第二放大器提供可变增益和偏移，并且基于所述至少一个校准系数和所述可变增益和偏移来线性化所述光信号。
[0125]
实施例23包括根据实施例14-21中任一项所述的主题，并且进一步指定基于所述测量的光信号或应用于所述第二放大器的所述偏移来确定eeff。
[0126]
实施例24包括根据实施例14-23中任一项所述的主题，并且进一步指定所述处理器经耦合，以基于所述接收的光信号的到所述第一放大器与所述第二放大器之间的网络节点的反向计算来线性化所述光信号。
[0127]
实施例25包括根据实施例14-25中任一项所述的主题，并且还包括耦合到所述处理器和所述第二放大器的数字电位计和数模转换器，以建立所述可变增益和偏移。
[0128]
实施例26包括根据实施例14-25中任一项所述的主题，并且还包括电流源，所述电流源基于响应于所述光电检测器的所述照射而产生的平均光电流向所述光电检测器提供电流。
[0129]
实施例27包括根据实施例14-26中任一项所述的主题，并且进一步指定所述至少一个动态校准系数包括两个动态校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关联。
[0130]
实施例28包括根据实施例14-27中任一项所述的主题，并且还包括电流源，所述电流源基于光电检测器暗电流向所述光电检测器提供电流。
[0131]
鉴于所公开的本发明的原理可应用于许多可能的实施例，应认识到所说明的实施例仅为优选的实例并且不应视为限制本公开的范围。

技术特征：
1.一种方法，所述方法包括：将经调制的光束引导到测试光电检测器；获得与所述测试光电检测器对所述经调制的光束的第一部分的检测相关联的光信号的调制幅度；基于来自所述测试光电检测器的所述光信号的所述调制幅度，确定能够操作用于线性化所述测试光电检测器的至少一个第一校准系数；以及将所述至少一个第一校准系数存储在存储器设备中。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述经调制的光束的第二部分引导到参考光电检测器；获得与所述参考光电检测器对所述经调制的光束的所述第二部分的检测相关联的光信号的调制幅度；以及基于来自所述测试光电检测器和所述参考光电检测器的所述光信号的所述调制幅度，确定所述至少一个第一校准系数。3.根据权利要求1所述的方法，其中基于产生所述光束的光源的可变激活或放置在来自所述光源的所述光束的路径中的可变衰减器来建立所述光束的调制，并且基于来自所述测试光电检测器的所述光信号的所述调制幅度和所述光源的所述可变激活或可变衰减来确定至少一个校准系数。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述光信号是光电检测器信号。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第一校准系数仅包括一个第一校准系数。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第一校准系数包括与基于具有偏移的指数函数的线性化相关联的三个第一校准系数。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第一校准系数包括校准系数a、b、c，其中线性化的光信号被产生为i
linear
＝aexp(bi
meas
)+c，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第一校准系数包括第一校准系数b，其中线性化的光信号被产生为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一校准系数a、b、c是常数。10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：改变被引导到所述测试光电检测器的所述经调制的光束的平均功率；基于所述经调制的光束的变化的平均功率来确定至少一个第二校准系数，其中所述第二校准系数是与所述第一校准系数中的所选的一个第一校准系数的平均功率依赖性相关联的至少一个动态校准系数；以及将所述至少一个第二校准系数存储在所述存储器设备中。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个第二校准系数与所述校准系数b相关联。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个动态校准系数包括两个校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关
联。13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括将测量的光信号线性化为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
关联的所述线性化的光信号。14.一种ftir系统，所述ftir系统包括：光电检测器；存储器设备，所述存储器设备存储与所述光电检测器相关联的至少一个校准系数；和处理器，所述处理器经耦合以接收响应于所述光电检测器的照射的光信号并且基于所述至少一个校准系数来线性化所述光信号。15.根据权利要求14所述的ftir系统，其中所述至少一个校准系数包括校准系数a、b、c中的一者或多者，其中与测量的光信号i
meas
相关联的线性化的光信号i
linear
被产生为i
linear
＝aexp(bi
meas
)+c。16.根据权利要求14所述的ftir系统，其中所述至少一个校准系数包括校准系数b，其中与测量的光信号i
meas
相关联的线性化的光信号i
linear
被严生为i
linear
＝exp(bi
meas
)。17.根据权利要求16所述的ftir系统，其中所述存储器设备存储至少一个动态校准系数，其中所述处理器基于所述至少一个校准系数和所述至少一个动态校准系数来线性化所述光信号。18.根据权利要求16所述的ftir系统，其中所述至少一个动态校准系数与所述校准系数b相关联。19.根据权利要求17所述的ftir系统，其中所述至少一个动态校准系数包括两个动态校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关联。20.根据权利要求19所述的ftir系统，所述ftir系统还包括将测量的光信号线性化为i
linear
＝exp(bi
meas
)，其中i
linear
是与测量的光信号i
meas
相关联的所述线性化的光信号。21.根据权利要求14所述的ftir系统，所述ftir系统还包括耦合到所述光电检测器的dc耦合放大器。22.根据权利要求21所述的ftir系统，其中：所述放大器包括第一放大器和第二放大器，其中所述第一放大器是耦合到所述光电检测器的dc放大器；并且所述处理器经耦合以向所述第二放大器提供可变增益和偏移，并且基于所述至少一个校准系数和所述可变增益和偏移来线性化所述光信号。23.根据权利要求21所述的ftir系统，其中基于所述测量的光信号或应用于所述第二放大器的所述偏移来确定e
eff
。24.根据权利要求19所述的ftir系统，其中所述处理器经耦合，以基于所接收的光信号的到所述第一放大器与所述第二放大器之间的网络节点的反向计算来线性化所述光信号。25.根据权利要求21所述的ftir系统，所述ftir系统还包括耦合到所述处理器和所述第二放大器的数字电位计和数模转换器，以建立所述可变增益和偏移。26.根据权利要求25所述的ftir系统，所述ftir系统还包括电流源，所述电流源基于响应于所述光电检测器的所述照射而产生的平均光电流向所述光电检测器提供电流。27.根据权利要求14所述的ftir系统，其中所述至少一个动态校准系数包括两个动态
校准系数a和b，使得所述校准系数b＝a(e
eff
)+b，其中e
eff
与所述经调制的光束的所述平均功率相关联。28.根据权利要求14所述的ftir系统，所述ftir系统还包括电流源，所述电流源基于光电检测器暗电流向所述光电检测器提供电流。

技术总结
提供了用于光电检测器响应的线性化的方法，该方法包括基于测试光电检测器响应与线性参考光电检测器的比较来建立一个或多个静态校准系数。在一些示例中，基于平均光电检测器信号来确定动态校准系数。在诸如FTIR的一些应用中，利用单个校准系数来获得线性化的比率。利用单个校准系数来获得线性化的比率。利用单个校准系数来获得线性化的比率。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：热电科学仪器有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/9/23