2018-01-21
1182
1.1 Метод, оснований на зміні відстані між джерелом випромінювання та фотоприймачем.
Освітленість (Е), яку створює джерело випромінювання в площині фоточутливого елемента (ф.ч.е.) пропорційна силі світла цього джерела (Ідж) і обернено пропорційна квадрату відстані (L2) [2] і визначається по формулі
(1).
Необхідно зазначити, що залежність, описана формулою 1, справедлива для точкових джерел [2], тобто, відстань L повинна бути значно більшою (в 5 – 10 раз) від більшого із розмірів - розміру тіла розжарювання джерела випромінювання або розміру ф.ч.е.
На рисунку 1 приведена структурна схема установки для вимірювання енергетичної характеристики чутливості методом зміни відстані між ФП та джерелом випромінювання. Оптичні вузли (джерело оптичного випромінювання і фотоприймач в контактному пристої) кріпляться на опичній (ОСК-2 з базовою довжиною 4 м) або фотометричній (ФСМ-4У – довжиною 3 м) лавах.
 |
Рисунок 1. Структурна схема установки для вимірювання
енергетичної характеристики чутливості
|
|
|
Набором джерел випромінювання з різною силою світла (на сьогодні промисловістю випускаються джерела з силою світла від 1 до 25 000 кд) та зміною відстані L, можна забезпечити зміну освітленості приблизно в 1·105 раз.
В таблиці 1 приведені параметри деяких джерел випромінювання [3]
Таблиця 1.
| Тип джерела випромінювання | Сила світла, кд | Напруга живлення, В | Споживаний струм, А | Розміри тіла розжарювання, мм |
| А6-1 | 0.15 | |||
| РН6-7.5 | 7.5 | 1.2 | ||
| РН12-100 | Ø = 5 | |||
| ЗК127-60 | 0.5 | Ø=5, L=188 | ||
| ЗК127-1000 | 23 980 | Ø = 5, L=267 |
Переваги методу, основаного на зміні відстані між джерелом випромінювання та фотоприймачем такі:
1 - утановка є досить простою по конструкції;
2 - зберігається (не змінюється іншими оптичними елементами) спектральний склад потоку випромінювання.
Недоліки метода:
1 - відносна похибка вимірювання енергетичної характеристики чутливості є досить великою величиною (до 4 %);
2 - необхідно мати набір різнотипів джерел випромінювання та їх блоків живлення (від 3 до 5 різнотипів);
3 - із-за великих розмірів тіла розжарювання (більший із розмірів сягає 200 мм) потужні джерела випромінювання використовуються не ефективно, так як для забезпечення точковості джерела їх необхідно установлювати на відстані L більшій 2000 мм;
4 - необхідно мати затемнене приміщення з світлопоглинаючими стінами та стелею;
5 - велика трудомісткість вимірювань.
1.2 Метод оснований на зміні потоку випромінювання ослаблюючими елементами
В конструкціях освітлювачів, для ослаблення потоку випромінювання, часто використовуються оптичні елементи. До них відносяться діафрагми, світлофільтри і дзеркала з різними коефіцієнтами відбивання. Цей спосіб ослаблення є досить зручним, так як використавши його, установка по конструкції може бути малогабаритною і може працювати в освітлених приміщеннях.
|
|
|
На рисунку 2 приводена структурна схема освітлювача К21.532, в якому в якості ослаблюючих елементів використовуються змінні діафрагми: найменша з яких має діаматр Ømin= 0.3 мм, найбільша – Ømax= 10 мм.
1 – джерело оптичного випромінювання – АЧТ К21.532;
2 – турель з набором діафрагм різного діаметра.
Рисунок 2. Структурна схема освітлювача К21.532.
Відомо [4], що потік в площині ф.ч.е. (Фе) розраховується по формулі
(2)
Не беручи до уваги абсолютні значення потоків, а лише відносну їх зміну, отримаємо, що зміна потоків випромінювання пропорційна зміні площ діафрагм абсолютно чорного тіла (Fmax та Fmin)
(3)
Співставивши розміри площ діафрагм освітлювача, отримаємо зміну потоків випромінювання приблизно в 1 000 разів. Цього досить для визначення динамічного діапазону фоторезисторів чутливих в інфрачервоній області спектра.
На рисунку 3 приводиться структурна схема освітлювача К22.410, в якому ослаблюючими елементами є світлофільтри типу НС. За відомими показниками поглинання вибраного типу скла (К) [5] та необхідними коефіцієнтами пропускання (τ) визначають товщини світлофільтрів (δ), які розраховуються за формулою
(4)
 |
1 – джерело випромінювання; 2 – турель зі світлофільтрами
Рисунок 3. Структурна схема освітлювача К22.410.
На рисунку 4 приведена структурна схема освітлювача АДБ136.00, в якому для ослаблення потоків випромінювання використовується комбінація ослаблюючих елементів
1 – об’єктив; 2 – турель з діафрагмами; 3 - турель з нейтральними
ослаблювачами; 4 – турель з відбиваючими пластинами.
Рисунок 4. Структкрна схема освітлювача АДБ136.00
На подвійній фокусній відстані від об’єктива закріплені джерело випромінювання та турель з відбиваючими пластинами. Таке розміщення вузлів освітлювача дозволяє сформувати зображення тіла розжарювання на поверхні відбиваючої пластини та отримати в площині фоточутливого елемента ФП достатньо рівномірний потік випромінювання.
Діафрагми, які використовуються в освітлювачі, представляють собою різного діаметра апертурні діафрагми, принцип дії яких аналогічний дії діафрагм в освітлювачі К21.532 (див. рисунок 2).
В якості нейтральних ослаблювачів (поз. 3 рисунок 4) використовуються чорнені металеві сітки, коефіцієнт ослаблення яких є близько 2 та 5 разів (коефіцієнт ослаблення задається розмірами дротин сітки та вікон між дротинами).
Для ослаблення потоку випромінювання ще в 10 та 100 разів в освітлювачі використовуються відбиваючі плоско-паралельні пластини: дзеркало з зовнішнім алюмієвим покриттям (коефіцієнт відбивання приблизно рівний 100 %); скляна пластина, яка відбиває потік в 10 раз менше від дзеркала, та молочне матове скло, яке в 100 раз менше відбиває (в напрямку ФП) ніж дзеркало.
Таким чином, зміною та комбінацією розмірів діафрагм, нейтральних ослаблювачів та відбиваючих пластин в освітлювачі забезпечується зміна освітленості від 1·10-2 до 1·104 люкса.
Переваги методу основанного на зміні потоку випромінювання ослаблюючими елементами це:
1 – малі габарити установок, в яких використовуються вищезгадані типи освітлювачів;
2 - в конструкції освітлювачів передбачено ізоляцію (екранування) ФП від фонових засвіток, тому відпадає необхідність проведення вимірювань в затемнених приміщеннях;
3 - висока продуктивність процесу вимірювань;
4 – широкий діапазон зміни освітленостей (до 106 раз).
До недоліків методу можна віднести:
|
|
|
1 – невисока точність визначення динамічного діапазону та нелінійності чутливості ФП (до 3 %);
2 – немає можливості плавної зміни рівня освітленості;
3 – так як оптичні елементи виготовлені з певними допусками, необхідно використовувати еталонні вимірювальні засоби (вимірювальні фотометричні головки), визначати фактичні значення освітленостей та враховувати їх при вимірюваннях досліджуваних ФП.
1.3 Метод складання освітленостей
Відомо [2], якщо в площині створюється освітленість (енергетична або світлова) кількома джерелами, то загальний рівень освітленості (ЕΣ) буде рівний сумі освітленостей, яку створюють кожне із джерел (Еі)
(5)
Для вимірювання енергетичної характеристики чутливості Іф = f(Р), її нелінійності (δsР) та визначення діапазону вимірювань методом складання освітленостей використовується установка, структурна схема якої наведена на рисунку 5.
 |
1, 5 – лампа розжарювання КГМ12-100; 2, 6 - об’єктив “Юпитер-3”;
3, 7 – турель зі світлофільтрами; 4, 8 - світлонепрониклий екран;
9 – вихідне вікно освітлювача; 10 – вентилятор; 11 – корпус
освітлювача; 12 – площина установки фоточутливого елемента ФП.
Рисунок 5.
Вимірювання проводяться таким чином. Після підготовки обладнання та досліджуваного ФП до роботи, відкрити один із каналів випромінювання, установити потік, при якому покази ППТН-2 будуть складати 30-40 % від величини верхньої межі діапазону чутливості та провести вимірювання фотосигналу І1.
Перекрити випромінювання та відкрити другий канал випромінювання, аналогічно виміряти сигнал І2. Відкрити обидва канали випромінювання та виміряти сигнал І3.
Визначити нелінійність чутливості (δs ) за формулою:
(6)
Установити в кожному каналі потік, при якому покази ППТН-2 будуть дорівнювати І3 ± 10 %, і почергово виміряти ці сигнали. Перейти на наступний діапазон чутливості, відкрити обидва канали, виміряти сигнал і за формулою (6) визначити нелінійність.
Аналогічно визначити нелінійність енергетичної характеристики чутливості ФП в усьому діапазоні вимірювань.
|
|
|
Відомо [6] що, при вимірюваннях енергетичної характеристики методом складання освітленостей, зміна спектрального складу випромінювання на результаті вимірювань не позначається. Тому, при вимірюваннях нелінійності енергетичної характеристики при освітленостях близьких до критичних (дивись графік 1), в установці є можливість плавної зміни рівнів освітленостей.
Цей метод успішно працює і при використанні потужніх (по одному або наборі випромінюючих елементів в кожному каналі) монохроматичних джерел випромінювання – лазерних або світловипромінюючих діодів.
До переваг методу складання освітленостей при вимірюваннях енергетичної характеристики можна віднести:
1 – широкий діапазон зміни освітленостей (до 109 раз);
2 - висока точність визначення нелінійності чутливості (не більше ±1 %) [7];
3 – забезпечується дискретна та плавна зміна освітленостей;
4 – висока продуктивність процесу вимірювань;
5 – малі габарити установок;
6 – зміною типу джерела та ослаблюючих елементів забезпечуються вимірювання енергетичної характеристики фотоприймачів в усьому спектральному діапазоні (УФ, видима та ІЧ області спектра);
7 – в конструкції освітлювачів передбачено ізоляцію (екранування) ФП від фонових засвіток.
Література.
1. ГОСТ 21934-83 ПРИЁМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2. Гуревич М.М. ФОТОМЕТРИЯ. ТЕОРИЯ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ
3. СПРАВОЧНАЯ КНИГА ПО СВЕТОТЕХНИКЕ. Под редакцией к.т.н. Ю.Б.Айзенберга, М., “Энергоатомиздат”, 1983.
4. ГОСТ 17772-88 ПРИЁМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
5. КАТАЛОГ ЦВЕТНОГО СТЕКЛА, М., “Машиностроение”, 1967.
6. Бутенко В.К., Годованюк В.М., Докторович І.В. ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ СПЕКТРАЛЬНОГО СКЛАДУ ПОТОКУ ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ЕНЕРГЕТИЧНУ ХАРАКТЕРИСТИКУ ФОТОПРИЙМАЧІВ Науковий вісник Чернівецького університету. 2002. Випуск 133. Фізика.Електроніка
7. Бутенко В.К., Годованюк В.М., Докторович І.В. Установка для вимірювання динамічного діапазону фотоприймачів // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 112: Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2001. - С.67-70.
Лабораторна робота № 2
МЕТОДИКИ ВИМІРЮВАННЯ ІМПУЛЬСНОЇ
ЧУТЛИВОСТІ ФОТОПРИЙМАЧІВ
Вступ. Під імпульсною інтегральною (монохроматичною) чутливістю фотоприймача (Sімп) розуміють його реакцію – фотострум або фотонапруга на виході фотоприймача (ФП), на дію падаючого на нього імпульсного інтегрального (монохроматичного) оптичного випромінювання з заданою формою імпульсів і визначається за співвідношенням
(1)
де Sімп – імпульсна чутливість ФП, А/Вт;
Uc – напруга фотосигналу, В;
Р - оптичний потік імпульсного випромінювання, Вт;
Rн – опір резистора нагрузки в колі ФП, Ом.
Надалі під терміном інтегральне випромінювання будемо розуміти потоки оптичного випромінювання з певним спектральним складом.
Проблемними питаннями при вимірюванні Sімп є питання метрологічного забезпечення джерелами імпульсного інтегрального (монохроматичного) випромінювання заданої форми та контрольними фотоприймачами призначеними для вимірювання потужності потоку оптичного імпульсного випромінювання.
Розглянемо методики вимірювання імпульсної чутливості
