КАЛИБРУЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ПОРОГОВОЙ ЭНЕРГИИ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ С ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2014 года по МПК G01J1/06 G01J1/28 G01J1/04 G02B26/04 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Оптика, оптические измерения, фотометрические измерения, метрология.

2. Уровень техники

Изобретение относится к области создания устройств и измерительных установок для проверки чувствительности и пороговой энергии обнаружительных систем оптического диапазона длин волн. Для этих измерений необходимо иметь коллимированный пучок излучения соответствующего спектрального диапазона длин волн с известной энергией излучения или числом квантов и с расходимостью, меньшей углового поля зрения испытуемой системы. Прямое измерение энергии такого излучения невозможно, так как метрологически аттестованные средства измерения имеют большую пороговую энергию, чем испытуемая система обнаружения. Поэтому используется, так называемый, метод калиброванных ослабителей. Измерение производится на уровне энергии, которую может измерить существующее метрологически аттестованное средство измерения и затем измеренная доля энергии дополнительно ослабляется в известное число раз. Удобные в использовании ослабители типа стеклянных светофильтров имеются только в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра оптического излучения. При этом максимально достижимое ослабление таким способом составляет 10⁶-10⁸ раз или 60-80 дБ. В литературе [1. Г.И.Каданер. «Установка с моноимпульсным ОКЕ для измерения больших оптических плотностей». Сборник «Импульсная фотометрия», выпуск 4, Л. Машиностроение. 1975 г., стр.78-81; 2. А.С.Мартынюк, Е.П.Николаев. «Образцовая аппаратура для измерения оптических ослаблений в диапазоне длин волн 0,4-3,5 мкм.». Сборник «Импульсная фотометрия», выпуск 4, Л. Машиностроение, 1975 г., стр.218-221] имеется описание таких установок, которые служат аналогом предлагаемого изобретения. Основная трудность при реализации таких установок - это устранение влияния рассеянного света, которое возникает уже при ослаблениях в 30 дБ. Кроме того, в среднем и дальнем ИК диапазонах оптического спектра ослабители с низким уровнем рассеянного света неизвестны, поэтому используются, в основном, другие физические принципы, например, уменьшение освещенности через квадрат расстояния до точечного источника и др. Один из самых подходящих методов в этом случае является применение фотометрического шара, который позволяет ослабить попадающее в него излучение до трех-четырех порядков в довольно широкой области спектра, определяемой спектральной неселективностью покрытия стенки шара. Если S_вых - площадь выходного отверстия шара, S_ш - площадь внутренней поверхности шара и ρ - коэффициент отражения стенки шара, то коэффициент ослабления излучения шаром определяется по формуле k=ρS_вых/(S_ш(1-ρ)). Поток излучения выходит из шара в этом случае в широком угле. Для получения коллимированного излучения в прототипе [Yang Einhua, Jiang Shanping, Zhang Rong, Li Hongsong, Xu Jie, Xiang Yanhong. «Radiometric Calibration of Multi-spectral Scanner of CBERS-1 Satellite» Proc. of SPIE Vol.7826, 78262H, doi: 10.1117/12.864680] применен коллиматор, фокальная плоскость которого находится в выходном отверстии шара. При этом возникает ослабление потока излучения на 30-40 дБ, так как в выходном пучке будут только лучи, идущие в угле, определяемом отношением диаметра выходного отверстия шара к фокусному расстоянию коллиматора. Можно измерить энергию излучения на входе в шар или внутри шара и пересчитать в выходную энергию коллимированного пучка, но погрешность таких расчетов будет достаточно большой, так как трудно учесть индикатрису излучения, выходящего из шара, и коэффициент отражения стенки шара ρ. Дальнейшее увеличение ослабления ограничено рассеянным светом и возрастающей погрешностью расчета или измерения коэффициента ослабления. Применение дополнительных ослабителей перед шаром также не спасает положения, так как общий коэффициент ослабления ограничен уровнем рассеянного света в системе. Ни аналог, ни прототип не позволяют проводить измерения высокочувствительных ФПУ с оптическими системами, когда необходимо точно ослабить излучение на много порядков без увеличенного влияния рассеянного излучения.

3. Раскрытие изобретения

В предлагаемом устройстве используется система из двух ослабителей, каждая из ступеней которого калибруется независимо. На входе ослабителя-преобразователя используется источник непрерывного излучения (лампа накаливания, светодиод, лазер), вращающееся зеркало или призма и установленная от них на некотором расстоянии щель, за которой формируется излучение в виде серии импульсов. Энергия каждого импульса зависит от мощности источника, расстояния между щелью и зеркалом, размера щели и скорости вращения зеркала и может быть легко рассчитана. В литературе [Е.Н.Анучин, Э.В.Кувалдин, О.М.Михайлов «Измерение импульсных характеристик фотоприемников с использованием источников непрерывного спектра излучения.» Сборник «Импульсная фотометрия» вып.4, Машиностроение Л., 1975 г. стр.197-201] имеется формула Ф_Δλ=πkL_ΔλhΔλ(b/1)²s по которой определяют поток излучения Ф_Δλ в спектральном интервале излучения Δλ, выделяемом из источника непрерывного спектра излучения. Здесь k - коэффициент, учитывающий пропускание оптической системы, и коэффициент излучения материала источника: L_Δλ - спектральная плотность энергетической яркости источника излучения, определенная по формуле Планка, h - высота выходной щели, b - размер светового пятна на зеркале, s - ширина щели, l - расстояние от зеркала до щели. При использовании лазера поток Ф за щелью легко измеряется. Длительность импульса за щелью t_И=s/2πln, где n - число оборотов зеркала в секунду. Энергия излучения W за щелью будет равна W=Фt_И. В этом ослабителе-преобразователе максимальный коэффициент ослабления ограничен габаритами устройства, жесткостью конструкции и сложностью совмещения оптических систем ослабителя, коллиматора и испытуемой системы. Ослабитель-формирователь в предлагаемом изобретении аналогичен используемому в прототипе и состоит из ослабителя пучка излучения в виде коллиматора, на оптической оси которого, близко к фокальной плоскости, находится либо выходное отверстие фотометрического шара, либо стенка шара, либо его внутренний экран. Таким образом, на выходе фотометрического шара имеется полезное импульсное излучение, ослабленное в определенное количество раз, при этом большой уровень непрерывного во времени фонового излучения не влияет на измеряемую систему с ФПУ, которое реагирует только на импульсное излучение соответствующей длительности. В предлагаемом устройстве совмещение оптических осей ослабителя-преобразователя и коллиматора не требуется, так как пучок импульсного излучения от ослабителя преобразователя попадает на стенку фотометрического шара, и угол падения этого излучения может изменяться в достаточно широких пределах без изменения коэффициента передачи шара. Для этого выходная щель ослабителя-преобразователя устанавливается в непосредственной близости от входного отверстия фотометрического шара. Чтобы избежать дополнительных потерь при согласовании ступеней ослабителей, входное отверстие шара должно быть больше размеров щели, так, чтобы весь поток из щели попадал бы в шар. Расстояние от щели до зеркала, размер щели и скорость вращения выбираются таким образом, чтобы длительность импульса излучения за щелью была бы меньше длительности импульсной характеристики исследуемого фотоприемного устройства. В этом случае испытуемая система реагирует на энергию формируемого в устройстве импульса излучения. Если требуется дополнительно ослабить излучение, то можно установить перед щелью калиброванный ослабитель, состоящий из двух плоскопараллельных пластин, работающих по принципу френелевского ослабителя. Применение двухступенчатого ослабителя с разными принципами ослабления позволяет расширить динамический диапазон устройства с сохранением возможности независимой калибровки отдельных ступеней, а использование импульсного и непрерывного излучения позволяет избежать влияния рассеянного света. При использовании зеркального коллиматора устройство может работать в широком спектральном интервале от ультрафиолета до дальнего ИК. Устройство позволяет работать как с лазерными, так и с другими источниками излучения, например с лампой накаливания, черным телом или светодиодами. Коэффициент ослабления ступеней ослабителя может быть измерен независимо разными способами или же рассчитан по известным в литературе формулам.

Осуществление изобретения

Для осуществления калибруемого устройства для измерения чувствительности и пороговой энергии фотоприемных устройств с оптической системой между входным отверстием фотометрического шара и источником направленного излучения (например, лазера) помещается регулируемая по ширине щель (это может быть, например, спектральная щель типа УФ-11) и вращающееся плоское зеркало. При этом расстояние от зеркала может изменяться. Излучение от источника направляется на вращающееся зеркало, которое отражает его по траектории, пересекающей щель поперек ее направления. Импульс излучения за щелью попадает на входное отверстие фотометрического шара, испытывает в нем многократные отражения и выходит через выходное отверстие шара. Преимущество изобретения перед существующими устройствами состоит в том, что оно позволяет, регулируя скорость вращения зеркала, расстояние от зеркала до щели и размер щели, достигать необходимого ослабления на несколько порядков, не увеличивая уровень влияния рассеянного излучения. Дополнительно установленный перед щелью ослабитель, состоящий из двух плоскопараллельных пластин, позволяет при последовательном падении излучения на эти пластины достигать дополнительного ослабления до 2-3 порядков. При раздельной калибровке разных ослабителей точность калибровки значительно выше, чем при использовании прототипа и аналогов. В макете авторов в качестве источника излучения применялся СО₂ лазер непрерывного излучения с длиной волны излучения 10,6 мкм и с мощностью около 1 Вт, при этом уровень калиброванной энергии в коллимированном пучке на входе испытуемой оптической системы с ФПУ составлял (1…5)·10^-15 Дж с неопределенностью ±25%.

Изобретение относится к области фотометрических измерений и касается устройства для измерения чувствительности и пороговой энергии фотоприемных устройств. Устройство включает в себя источник непрерывного излучения, вращающееся зеркало или призму и щель, образующих импульсный источник излучения в виде ослабителя-преобразователя и ослабителя-формирователя пучка излучения в виде коллиматора, на оптической оси которого, ближе к фокальной плоскости, находится выходное отверстие фотометрического шара. Щель импульсного источника излучения расположена перед входным отверстием фотометрического шара. Расстояние от щели до зеркала или призмы, размер щели и скорость вращения зеркала или призмы выбираются таким образом, чтобы длительность импульса излучения за щелью была бы меньше длительности импульсной характеристики исследуемого фотоприемного устройства. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона устройства. 1 з.п. ф-лы.

1. Калибруемое устройство для измерения чувствительности и пороговой энергии фотоприемных устройств с оптической системой, формирующих угловое поле зрения испытуемого устройства, содержащее источник непрерывного излучения требуемого спектрального диапазона, вращающееся зеркало или призму и щель, образующих импульсный источник излучения в виде ослабителя-преобразователя и ослабителя-формирователя пучка излучения в виде коллиматора, на оптической оси которого, ближе к фокальной плоскости, находится выходное отверстие фотометрического шара, отличающееся тем, что с целью расширения динамического диапазона ослабления и уменьшения влияния рассеянного света, щель ослабителя-преобразователя установлена перед входным отверстием фотометрического шара ослабителя-формирователя, размер входного отверстия которого больше размера щели, причем расстояние от щели до зеркала или призмы, размер щели и скорость вращения зеркала или призмы выбираются таким образом, чтобы длительность импульса излучения за щелью была бы меньше длительности импульсной характеристики исследуемого фотоприемного устройства.

2. Калибруемое устройство по п.1, отличающееся тем, что для еще большего расширения динамического диапазона перед щелью вводится еще один ослабитель, состоящий из двух плоскопараллельных пластин, установленных так, чтобы нормаль к их поверхности составляла бы небольшой угол с падающим излучением.