Источники и приемники излучения. Методические указания к лабораторным работам

Министерство общего и профессионального образования РФ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра оптико-электронных приборов и систем

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Санкт-Петербург 2000

Ишанин Г. Г., Мальцева Н.К., Мусяков В. Л. Источники и приемники излучения / Методические указания к лабораторным работам. - СПб: ИТМО, 2000. - 124 с.

Одобрено на заседании кафедры ОЭПиС 16 ноября 2000 г., протокол № 3. Утверждено к печати УМК по изданию учебной литературы "__"____________2000 г., протокол №__.

Методические указания предназначены для студентов инженерно-физического факультета, факультетов оптико-информационных систем и технологий, точной механики и технологий и вечернего и заочного обучения.

©Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) 2000

2

ВВЕДЕНИЕ В настоящем издание вошли исправленные и дополненные описания лабораторных работ по курсу "Источники и приемники излучения", содержащиеся в учебных пособиях "Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л. Лабораторные работы "Источники лучистой энергии и распространение излучения в оптических средах". - Л.: ЛИТМО, 1978", "Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Приемники лучистой энергии". - Л.: ЛИТМО, 1979", а также в учебном пособии "Андреев А.Л., Мусяков В.Л., Стрелков А.Р., Ярышев С.Н. Источники и приемники излучения / Методические указания к лабораторным работам. - СПб: ИТМО, 1998." Описания лабораторных работ, составленные А.Л. Андреевым, А.Р. Стрелковым и С.Н. Ярышевым, отмечены знаком "*". Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с соответствующим разделом курса лекций и основными теоретическими положениями, а также с методикой проведения работы. Содержание отчета о проделанной работе, контрольные вопросы и литература для подготовки приведены после описания каждой работы. Краткое описание используемой аппаратуры, правила оформления отчета и методика расчета погрешности измерения приведены в приложениях. Каждый студент оформляет отчет индивидуально.

3

Лабораторная работа "ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ (СВЕТОФИЛЬТРЫ)" Цели работы − изучить спектральные характеристики светофильтров; − ознакомиться с принципами действия различных светофильтров; − изучить устройство спектрофотометра; − определить спектральные характеристики светофильтров. Краткие теоретические сведения Оптические фильтры широко используются в квантовой электронике, астрофизических исследованиях, пирометрии, военном деле, химии, биологии и медицине. Они являются неотъемлемой частью любого оптического прибора, начиная с фотоаппарата и кончая многоканальным спектрофотометром. По физическому принципу действия фильтры можно разделить на отражающие, поглощающие (абсорбционные), интерференционные, дифракционные, рассеивающие (дисперсионные). В общем случае оптический фильтр (светофильтр) - это устройство, которое в результате взаимодействия с излучением изменяет его спектральный состав. Спектральные свойства фильтра описываются функцией f(λ), то есть зависимостью коэффициента отражения ρ или коэффициента пропускания τ от длины волны λ. Эта зависимость называется спектральной характеристикой фильтра. По типу спектральной характеристики фильтры разделяются на полосовые и отрезающие с длинноволновой или коротковолновой границей. Спектральные характеристики полосовых фильтров описываются следующими параметрами (рис. 1): 1) длиной волны λ0 = λmax , соответствующей максимальному коэффициенту пропускания (отражения) фильтра; 2) величиной максимального коэффициента пропускания (отражения) fmax (в процентах); 4

f

Δλ0,5

0,5fmax

fmax

Δλ0,1 λ

λ0=λmax

0,1fmax

Рис. 1. Спектральная характеристика полосового фильтра 3) полушириной полосы пропускания (отражения) Δλ0,5 = δ , то есть шириной спектрального интервала, на границах которого коэффициент пропускания (отражения) равен половине максимального (в долях λ0); 4) шириной полосы пропускания (отражения) Δλ0,1 на уровне 0,1fmax ; 5) контрастностью η(λ) = fmax / fλ ; 6) величиной относительного интегрального фона, то есть отношением пропущенного (отраженного) потока вне полосы пропускания (отражения) ко всему потоку, пропущенному (отраженному) фильтром; 7) коэффициентом добротности, равным отношению потока, пропускаемого (отражаемого) фильтром в спектральном интервале, соответствующем Δλ0,5 , к потоку с постоянным спектральным распределением, падающему на фильтр в этом интервале: D=

∫ f (λ )dλ / Δλ

0,5

.

Δλ0 , 5

Спектральные характеристики отрезающих фильтров описываются следующими параметрами (рис. 2): 1) максимальным коэффициентом пропускания (отражения) fmax ; 2) средним коэффициентом пропускания (отражения) fср в заданном диапазоне длин волн λк…λд , где λк ≥ λf=60% , а λд задается техническим заданием;

5

3) длиной волны λгр , определяющей положение границы пропускания (отражения), для которой коэффициент пропускания (отражения) фильтра составляет 10% от максимального (fλгр = 0,1fmax); f

0,9fmax

0,5fmax

λгр

fmax

λ

λ0,5

fф

fср

0,1fmax λ0,9

Рис. 2. Спектральная характеристика отрезающего фильтра 4) величиной коэффициента пропускания (отражения) fф в нерабочем диапазоне спектра (указывается в области λ < 0,85λгр или λ > 1,15λгр ; 5) интегральным фоном; 6) крутизной χ коротковолнового или длинноволнового фронта кривой пропускания (отражения): χ = λгр / λ0,9 . По величине полуширины полосы пропускания полосовые фильтры делятся на узкополосные (δ ≤ 0,01λ0) и широкополосные (δ > 0,01λ0). Интегральный коэффициент пропускания (отражения) фильтра для данного источника излучения определяется формулой: ∞

f = Ф / Ф0 =

∫ Mλ 0

e

f ( λ ) dλ

,

∞

∫ M λ dλ e

0

где Ф - пропущенный или отраженный поток; Ф0 - падающий поток; Мλе - спектральная плотность энергетической светимости источника. Отражающие фильтры. Отражающие фильтры могут быть основаны на методе остаточных лучей, многократном отражении от диэлектрических зеркал, полном внутреннем отражении (ПВО).

6

Метод остаточных лучей базируется на последовательном избирательном отражении в области аномальной дисперсии от нескольких кристаллических пластинок. В области прозрачности коэффициент отражения для нормально падающего на пластинку излучения мал и равен ρ0 = [(n - 1) / (n + 1)]2 , где n - показатель преломления пластинки. В области сильного поглощения коэффициент отражения сильно возрастает и зависит от коэффициента экстинкции κ: ρmax = [(n - 1)2 + κ2] / [(n + 1)2 + κ2] . Отношение величин потоков отраженного излучения в этих областях после N-кратного отражения составит: ФN = Фотн (ρmax / ρ0) , где Фотн - отношение потоков после одного отражения. После достаточно большого числа отражений остается лишь спектральная область, прилежащая к максимуму отражения. Достоинством метода является возможность получения больших интенсивностей в области фильтрации. К недостаткам относятся малая контрастность, громоздкость и трудность выделения любой заданной области (положение максимума отражения определяется материалом пластинок). Используемые материалы: окислы (кварц, ZnO, сапфир, TiO2), фториды, хлориды, бромиды, йодиды (рис. 3). ρ

1

2

3

4

5

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

λ, мкм

50 100 150 200 250 300

Рис. 3. Спектры отражения: 1 - ZnO; 2 - BaF3; 3 - TiCl: 4 - CsBr; 5 - CsJ При незначительном поглощении в тонких диэлектрических пленках, составляющих интерференционные фильтры, спектральный 7

состав отраженного излучения является дополнительным к пропущенному, что позволяет получить отражающие фильтры. Положение полосы отражения определяется формулой: λ = λ0 / (2m + 1) ; m = 0, 1,… , где λ0 - длина волны, для которой оптическая толщина чередующихся слоев с высоким и низким n равна λ0/4. Достоинствами фильтров с многократным отражением от диэлектрических зеркал являются высокая контрастность и возможность изготовления зеркал на непрозрачных подложках. При полном внутреннем отражении (на гипотенузной грани прямоугольной призмы) энергии падающей и отраженной волны равны. Однако в менее плотной среде за гранью призмы мгновенное электромагнитное поле отлично от нуля. Часть излучения проникает в эту среду на расстояние, примерно равное длине волны излучения, а затем возвращается обратно. Фильтр поэтому представляет собой две прямоугольные призмы, сложенные гипотенузными гранями так, чтобы между ними оставалась воздушная прослойка. Излучение с длиной волны, большей воздушного промежутка, проходит через призмы и зазор, а коротковолновое излучение отражается от гипотенузной грани (рис. 4). λ2

λ1 λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

l1

λ3

l2

Рис. 4. Полосовой фильтр ПВО: λ1 < λ2 <λ3 ; λ1 < l1 < λ2 ; λ2 < l2 < λ3 Достоинствами этих фильтров являются высокое пропускание и малый фон, а недостатками - малая крутизна (рис. 5). Поглощающие фильтры. В поглощающих (абсорбционных) фильтрах начальная спектральная плотность потока излучения Фλ0 после прохождения слоя толщиной l согласно закону Бугера-Ламберта убывает экспоненциально: 8

Фλ = Фλ0 е-а'(λ) l , где a'(λ) - спектральный натуральный показатель поглощения; a'(λ) = = 4πκ /λ . ρ, τ ρ 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4

τ

0 ,2 0

l/λ 0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

Рис. 5. Коэффициенты отражения и пропускания фильтра ПВО Спектральный натуральный показатель поглощения не зависит от величины падающего потока (при не очень больших потоках) и зависит от длины волны. При малых концентрациях поглощающих центров коэффициент поглощения одной частицы не зависит от их концентрации N (закон Беера - для растворов, газов и паров). Тогда а'(λ) = a'0(λ) N , где a'0(λ) - спектральный натуральный молярный показатель поглощения (если N - в молях на литр), а закон поглощения (БугераЛамберта-Беера) Фλ = Фλ0 e − a ' ( λ ) Nl . Спектральная характеристика абсорбционного фильтра описывается спектральным коэффициентом пропускания τ(λ) = Фλ / Фλ0 = е-а'(λ)l = e − a ' (λ ) Nl или оптической плотностью D(λ) = lg [1 / τ(λ)] = lg (Фλ0 / Фλ) = а(λ) = a0(λ) N , где а(λ) и a0(λ) - спектральный и спектральный молярный показатели поглощения (десятичные); а(λ) = 0,4343 а'(λ); a0(λ) = 0,4343 a'0(λ) . По физическому смыслу а(λ) и [a0(λ) N] - оптическая плотность слоя единичной толщины. Оптическая плотность поглощающей смеси) или нескольких слоев равна DΣ(λ) = D1(λ) + … + Dn(λ) , а суммарный коэффициент пропускания τΣ(λ) = τ1(λ)…τn(λ) . 0

0

9

Такой метод расчета неприменим для атмосферы, где наблюдается взаимное влияние компонентов. Поглощающие фильтры по агрегатному состоянию делятся на твердые, жидкостные и газовые. Жидкостные и газовые применяются очень редко. Кристаллические твердые фильтры из германия, кремния, окислов и щелочно-галоидных соединений являются длинноволновыми отрезающими фильтрами (рис. 6). τ

2

1 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

λ, мкм

0

2

4

6

8

10

12

Рис. 6. Границы прозрачности фторидов: 1 - LiF (l = 5 мм); 2 - SrF2 (l = 10 мм) В своем большинстве кристаллические фильтры гигроскопичны и непрочны. Крутизна фронта кривой пропускания у кристаллических фильтров невелика. Положение границы пропускания определяется собственными частотами колебаний кристаллической решетки (чем выше частота, тем в более коротковолновой области лежит граница) и зависит от температуры (рис. 7). τ

1

2

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

λ, мкм

1

3

5

7

9

11

13 15

Рис. 7. Границы прозрачности BaF2: 1 - 1273 К; 2 - 290 К 10

Стеклянные фильтры менее хрупки и гигроскопичны, более технологичны и стойки к воздействию агрессивных сред, чем кристаллические. В стекло вводятся красители в молекулярном (окислы и соли хрома, никеля, железа и т. п.) или коллоидном (соединения меди, золота, кадмия) состоянии. Силикатные стеклянные фильтры являются длинноволновыми отрезающими в средней и коротковолновыми в дальней инфракрасных областях (рис. 8). τ 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0

λ, м км 1

3

5

Рис. 8. Пропускание стекла К-8 Кроме кристаллов и стекла могут применяться также оптическая керамика (иртраны CaF2 , MgF2 , ZnS, ZnSe, MgO) и пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат). Интерференционные фильтры. В качестве интерференционых используются многослойные диэлектрические фильтры. Интерференционные явления при прохождении излучения через ряд подобранных пленок приводят к изменению его коэффициентов пропускания для различных длин волн. Интерференционный фильтр состоит из нескольких компонентов, каждый из которых содержит совокупность тонких пленок и называется "системой". Системы делятся на основные (формирующие полосу пропускания) и дополнительные (для устранения вторичных полос пропускания основной системы). Материалами служат фториды, сульфиды, селениды, окислы (SiF2 , SiO, CeO2 , ZnS, Sb2O3 и др.). Интерференционные фильтры с оптической толщиной слоев, равной λ0/4, называют четвертьволновыми. По спектральным характеристикам они делятся на узкополосные и отрезающие. 11

τ 1,0

0,1 λ λкп

τфк

λmax = λ0

τфк

λдп

Рис. 9. Спектральная характеристика элементарного узкополосного интерференционного фильтра Элементарный узкополосный фильтр (рис. 9) характеризуется следующими параметрами (кроме общих, рассмотренных ранее): 1) величиной коэффициента пропускания τф в нерабочих областях спектра (фон) для λ < 0,85λ0,5к и λ > 1,15λ0,5д , где λ0,5к и λ0,5д длины волн на коротко- и длинноволновой границах рабочей полосы, при которых коэффициент пропускания составляет 0,5τmax ; 2) длинами волн λкп и λдп , соответствующими 10% пропускания на вторичных коротко- и длинноволновой полосах пропускания. Составной узкополосный и полосовой фильтр характеризуется следующими параметрами (кроме указанных для элементарного узкополосного фильтра): 1) длиной волны λср , соответствующей центру полосы пропускания: λср = (λ0,5к + λ0,5д) / 2 ; 2) средней величиной коэффициента пропускания в рабочей области. Отрезающий фильтр характеризуется (кроме общих параметров): 1) крутизной коротковолнового фронта кривой пропускания: К = λгр / λτ = 0,6 ; 2) длиной волны λкп , соответствующей 10% пропускания на фронте вторичной коротковолновой полосы. Простейший интерференционный фильтр состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытого с обеих сторон полупро12

зрачным металлическим слоем, и аналогичен интерферометру ФабриПеро . В результате интерференции максимальное пропускание соответствует длине волны, для которой оптическая толщина диэлектрика кратна половине длины волны: τ = τ0 / {(1 - ρ0)2[1 + 4ρ0 sin2 (δ/2) / (1- ρ0)2 ]} , где δ = 4πnl n 2 − sin 2 ε / λ + δ0 ; δ0 - фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое; τ0 и ρ0 - коэффициенты пропускания и отражения полупрозрачных слоев; l - толщина подложки; n - показатель преломления подложки; ε - угол падения лучей. Для получения высокой добротности используются многослойные фильтры с чередованием слоев с низким и высоким показателем преломления, обозначающиеся следующим образом: О - элементарный отрезающий; N.O - отрезающий из N элементарных фильтров типа О; Уk - элементарный узкополосный с оптической толщиной подложки kλ/2 , где k - целое число (k = 1 не указывается); N0(УkL-…УkL) - узкополосный из N фильтров типа Уk с L слоев в каждом (при одинаковых элементарных фильтрах система обозначается NУk); П1, П2, П3 - полосовые фильтры с различным чередованием слоев. Пример обозначения: 2.О(13.11)-16-31 - отрезающий фильтр из двух 13- и 11-слойных элементарных, изготовленный из германия и моноокиси кремния. Слои наносятся на подложку из раствора или испарением в вакууме. При работе фильтров в сходящихся или наклонных пучках происходит изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего λгр , λmax и λср смещаются в коротковолновую область, пропускание уменьшается, полуширина полосы увеличивается. Составные фильтры конструктивно состоят из элементарного на отдельной подложке и отрезающего коротковолнового (пропускание в длинноволновой области устраняется поглощающей подложкой, селективным приемником оптического излучения, методом остаточных лучей). При негерметичной конструкции производится установка защитной пластины и подложек покрытиями внутрь через тонкие прокладки в металлическую оправу с прижимным кольцом. При герметичной конструкции наружные подложки устанавливаются в оправу на эпоксидном клее К-300-61. Дисперсионные фильтры. Действие дисперсионных фильтров основано на том, что если при дисперсии dn/dλ ≠ 0 разность показателей преломления среды и неоднородностей в ней Δn равна 0 для 13

некоторой λ = λ0 , то рассеяние носит резко селективный характер. Это означает, что система "кристаллический порошок - жидкость" или "кристаллический порошок - воздух" прозрачна для длины волны, при которой показатели преломления кристалла и жидкости или кристалла и воздуха совпадают. Излучение с другими длинами волн рассеивается из-за разности показателей преломления (рис. 10). Это явление носит название эффекта Христиансена. n

θ 1

2

λ τ 3

λ λ0

Рис. 10. Кривые дисперсии (1, 2) и полоса пропускания дисперсионного фильтра (3) Подбор материалов для изготовления дисперсионных фильтров производится по известным кривым дисперсии веществ. Показатель преломления претерпевает сильное изменение вблизи полосы поглощения. Справа и слева от нее он плавно уменьшается с ростом длины волны, а при подходе со стороны коротких длин волн резко снижается, становясь меньше единицы (рис. 11). Форма кривой дисперсии, величина показателя преломления, число полос поглощения определяются структурой материала: типом связи между атомами, классом симметрии решетки, атомным весом. На ширину полосы пропускания дисперсионного фильтра влияют размеры неоднородностей (чем они меньше, тем шире полоса), а также угол пересечения дисперсионных кривых θ (рис. 10). Полуширина полос растет с увеличением длины волны, но их отношение к 14

длине волны максимального пропускания почти постоянно и равно 0,1…0,2. n 1

2

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

λ, мкм 2

4

6

8

10

12 14

Рис. 11. Дисперсионные кривые: 1- SiO2 ; 2 - сероуглерод Выбор отрезающего коротковолнового фильтра к ПОИ ИК излучения. Выбор сводится к определению оптимальной λгр для получения максимального электрического сигнала с ПОИ при заданных спектральных характеристиках излучения цели и фона. Фλ

Фλф Фλо

λ λгр

Рис. 12. К выбору фильтра Методика определения λгр сводится к следующему: 1) по справочнику берут световую характеристику ПОИ I = = f(Φ); крутизна ее максимальна при малых потоках; 2) строят зависимость дифференциальной интегральной чувствительности ПОИ от потока:

15

Sинт = f(Φ) = dI / dΦ ; 3) строят зависимость потока фона Φф и потока объекта Φс

от λгр (рис. 12): Φс = f(λгр) =

∞

∫ Φ λ dλ и о

λгр

∞

Φф = f(λгр) = ∫ Φ λф dλ ; λ гр

как правило, поток объекта изменяется слабо; 4) на графике Φс = f(λгр) строят Sинт = f(Φф) = f[Φф(λгр)]; 5) перемножая координаты графиков Sинт = f[Φф(λгр)] и Φс = = f(λгр), строят Iс = f(λгр) и по максимуму этой функции определяют λгр.оптим. Устройство спектрофотометра СФ-26 Спектрофотометр служит для измерения коэффициента пропускания исследуемого образца τ, равного отношению потока излучения Ф, прошедшего через измеряемый образец, к потоку излучения Ф0 , падающему на образец (или прошедшему через контрольный образец, коэффициент пропускания которого принимается за единицу, например, воздух), и выражаемого формулой τ = (Ф⋅100%) / Ф0 . В монохроматический поток излучения поочередно вводятся контрольный и измеряемый образцы. При введении контрольного образца стрелка измерительного прибора устанавливается на деление 100% регулировкой ширины щели. При введении измеряемого образца величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале, отградуированной в процентах. Оптическая схема - автоколлимационная (рис. 13). Излучение от источника 1 при установке рычага конденсора в положение "Н" (лампа накаливания - для работы в области от 340 до 1100 нм) или 1' при установке рычага в положение "Д" (дейтериевая лампа - для работы в области от 186 до 350 нм) падает на поворачивающийся конденсор 2, который направляет его на зеркало 3 и создает изображение источника в плоскости линзы 4, расположенной перед входной щелью 5. Затем излучение попадает на зеркальный объектив 6, после которого параллельным пучком направляется на призму 7. 16

2 12 7

1'

1

15

11 14 6

3 5(8)

10

4(9)

13

Рис. 13. Оптическая схема СФ-26 Пройдя призму под углом, близким к углу наименьшего отклонения, и отразившись от ее алюминированной грани, диспергированный пучок фокусируется объективом на выходной щели 8, расположенной над входной щелью 5. При вращении призмы с помощью рукоятки "ДЛИНЫ ВОЛН" монохроматическое излучение различных длин волн проходит после щели 8 через линзу 9, расположенную над линзой 4, контрольный 14 или измеряемые 15 образцы, устанавливаемые рукояткой, фиксирующейся в четырех положениях, линзу 10 и с помощью поворотного зеркала 11 собирается на фотокатоде фотоэлемента 12 при установке переключателя зеркала в положение "К" (с кислородно-цезиевым фотокатодом - для измерений в области от 600 до1100 нм) или 13 при установке переключателя зеркала в положение "Ф" (с сурьмяно-цезиевым фотокатодом и кварцевым окном - для измерений в области от 186 до 350 нм). Ширина щелей регулируется рукояткой "ЩЕЛЬ". Органы управления монохроматора описаны в приложении. Порядок выполнения работы 1. Подготовка спектрофотометра к работе. 1.1. Установить источник и приемник излучения для спектрального диапазона измерений от 600 до 1100 нм. 1.2. Поставить рукоятку шторки фотоэлементов в положение "ЗАКР". 17

1.3. Рукояткой "ЩЕЛЬ" установить ширину щели 0,1 мм. 1.4. Рукоятку "КОМПЕНСАЦИЯ" установить в положение "0". 1.5. Включить тумблер "СЕТЬ" и проверить зажигание индикаторных ламп "СЕТЬ" и "Н". 1.6. Установить рукоятку "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ" в положение "1". 1.7. Установить рукоятку "ОТСЧЕТ" в положение "×1". 2. Измерение полосы пропускания интерференционного фильтра. 2.1. Измерить коэффициент пропускания фильтра в диапазоне от 580 до 610 нм с шагом 2 нм и от 610 до 1100 нм с шагом, равным оцифрованным делениям шкалы длин волн: 2.1.1. Установить стрелку измерительного прибора на "0" рукояткой "НУЛЬ". 2.1.2. Открыть фотоэлемент, поставив рукоятку шторки в положение "ОТКР". 2.1.3. Откалибровать измерительный прибор на "100%": а) установить длину волны; б) установить на пути излучения контрольный образец (воздух) перемещением рукоятки образцов в положение "2"; в) установить стрелку измерительного прибора на "100%" рукояткой "ЩЕЛЬ". 2.1.4. Измерить коэффициент пропускания на установленной длине волны: а) ввести в поток излучения интерференционный фильтр, переместив рукоятку образцов в положение "1"; б) снять отсчет по шкале измерительного прибора и занести его в табл. 1. 2.1.5. Повторить пп. 2.1.3, 2.1.4 для всех заданных длин волн. 2.2. Повторить измерения (п. 2.1) 5 раз. 2.3. Установить рукоятку шторки в положение "ЗАКР". Таблица 1. … τ5 , % τср , % λ, нм τ1 , % 580 … 1100

18

3. Измерение пропускания абсорбционного фильтра. 3.1. Измерить коэффициент пропускания фильтра в диапазоне от 520 до 620 нм с шагом 10 нм и от 620 до 1100 нм с шагом 100 нм: 3.1.1. Выполнить пп. 2.1.1…2.1.2. 3.1.2. Выполнить п. 2.1.3. 3.1.3. Измерить коэффициент пропускания на установленной длине волны: а) ввести в поток излучения интерференционный фильтр, переместив рукоятку образцов в положение "3"; б) снять отсчет по шкале измерительного прибора и занести его в табл. 1. 3.1.4. Повторить пп. 3.1.2, 3.1.3 для всех заданных длин волн. 3.2. Выполнить пп. 2.2, 2.3. 4. Расчет параметров фильтров. 4.1. Рассчитать и обозначить на графике параметры абсорбционного фильтра. 4.2. Рассчитать и обозначить на графике параметры интерференционного фильтра. Содержание отчета 1. Краткие сведения о классификации, характеристиках и параметрах фильтров. 2. Оптическая схема спектрофотометра и ее описание. 3. Таблица с результатами измерений и вычислений. 4. Расчет погрешности измерений (обработка одной строки из таблицы). 5. Рассчитанные по графикам параметры исследованных фильтров. По заданию преподавателя: 6. Задавшись энергетической характеристикой фототока приемника оптического излучения и спектральными характеристиками объекта и фона, определить оптимальную λгр. 7. Построить спектральную характеристику германиевого фотодиода в сочетании с исследованным интерференционным фильтром. Вопросы для подготовки 1. Классификация, характеристики и параметры фильтров. 19

2. Принцип действия отражающих фильтров. 3. Принцип действия поглощающих фильтров. 4. Принцип действия интерференционных фильтров. 5. Методика выбора отрезающего коротковолнового фильтра к ПОИ. 6. Устройство спектрофотометра. 7. Определение спектральных характеристик фильтров. Литература 1. Борисевич Н.А. и др. Инфракрасные фильтры. Минск: Наука и техника, 1971. - 228 с. 2. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1968. 3. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973. 4. ОСТ 3-854-72. Фильтры оптические интерференционные.

20

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА С ЗАДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ" Цели работы − изучить принцип действия источника заданного спектрального состава (ИЗСС); − изучить разновидности, принципы расчета и изготовления масок; − измерить спектральное распределение энергетической светимости ИЗСС без маски, как функцию от положения щели; − для ориентации маски по спектру относительно микрометренной подвижки снять реперную точку на отсчетной шкале микрометра для длины волны 0,6328 мкм (гелий-неоновый лазер); − рассчитать линейную дисперсию ИЗСС и сориентировать ее с учетом снятой реперной точки для длины волны 0,6328 мкм относительно отсчета по микрометру; − рассчитать и построить спектральное распределение энергетической светимости ИЗСС без маски; − рассчитать маску для произвольно заданного спектрального распределения энергетической светимости ИЗСС и построить ее. Краткие теоретические сведения Источник инфракрасного излучения с заданным спектральным составом разработан и изготовлен на кафедре оптико-электронных приборов и систем ИТМО и предназначен для исследования в лабораторных условиях различного типа тепловизоров, теплопеленгаторов и головок самонаведения. Он позволяет получить модулированное инфракрасное излучение заданного спектрального состава и мощности, имитирующее реальные объекты. Необходимость в такой установке вызывается трудностью и дороговизной использования реальных объектов при паспортизации таких приборов. В схеме ИЗСС использована идея "обратного монохроматора" (рис. 14). ИЗСС включает в себя протяженный источник со сплошным спектром излучения 1 и монохроматор, состоящий из маски 2, расположенной в фокальной плоскости зеркального объектива 4, плоских 21

зеркал 3 и 6, диспергирующей призмы 5 и выходной щели, расположенной в фокальной плоскости зеркального объектива 7. 1

А

В

С

2

4 3

5

8

7

6

Рис. 14. Схема ИЗСС Если маска в виде подвижной входной щели находится в положении В, то выходная щель выделит из спектра, изображаемого в ее плоскости, длину волны λi . Когда входная щель переместится в положение А, спектр сместится относительно выходной щели и она выделит длину волны λi-1 . Когда же входная щель окажется в положении С, выходная щель выделит длину волны λi+1 . Если убрать маску, то в выходную щель попадут все длины волн от λi-1 до λi+1 , но каждая длина волны будет приходить от определенной точки протяженного источника. Чтобы исключить из излучения выходной щели длину волны λi , достаточно закрыть точку В протяженного источника непрозрачным экраном. Для получения заданного спектрального состава излучения выходной щели вместо щелевой маски ставится фигурная маска с соответствующим профилем по высоте, срезающая излучение определенных длин волн в требуемой мере (рис. 15). Для оценки длины протяженного источника, необходимой для получения заданного спектрального интервала, можно воспользоваться формулой Δl = Δα⋅f'об = 2(n1 - n2) f'об sin (α/2) / 1 − n 2 sin 2 (α / 2) , 22

Рис. 15. Фигурная маска где n1 и n2 - показатели преломления призмы для длин волн, ограничивающих рабочий спектральный интервал;⎯n - средний показатель преломления для этих длин волн; f'об - фокусное расстояние объектива монохроматора, находящегося перед протяженным источником; α преломляющий угол призмы. В ИЗСС используется призма из LiF c преломляющим углом α = 50° для спектрального интервала 1…5,5 мкм с линейной протяженностью указанного интервала l = = 13,7 мм. В качестве протяженного источника применяется нихромовая ленточка с температурой от 600 до 1000 °С в охлаждаемом водой корпусе. Погрешность получения заданного спектрального состава зависит от погрешности снятия спектрального распределения энергетической светимости ИЗСС без маски (при перемещении вдоль протяженного источника) и от точности изготовления самой маски. Установив на выходную щель ПОИ и перемещая щелевую маску, легко получить зависимость выходного сигнала ПОИ от положения маски ΔUl(l). Однако она не дает возможности построить маску для получения того или иного заданного спектрального состава излучения, имитирующего излучение реального объекта, прошедшее через атмосферу, так как обычно излучение объекта задается в зависимости от длины волны (рис. 16). Мλ

λ

Рис. 16. Спектр излучения объекта после прохождения через атмосферу 23

Поэтому необходимо получить спектральное распределение энергетической светимости на выходной щели ИЗСС Мλ(λ) и найти соответствие между положением щелевой маски l и выделяемой на выходной щели длиной волны λ. Спектральная плотность энергетической светимости (СПЭС) на выходной щели: Мλ = ΔФλ / (A Δλ) , где ΔФλ - монохроматический поток излучения, прошедший через выходную щель; A - площадь засвеченного участка щели; Δλ - спектральный интервал, выделяемый выходной щелью. Площадь засвеченного участка щели: А = ащ hщ , где ащ - ширина щели; hщ - высота засвеченного участка щели. Спектральный интервал, выделяемый выходной щелью: Δλ = ащ (dλ / dl) , где dλ / dl - линейная дисперсия монохроматора. Из определения абсолютной спектральной чувствительности ПОИ: ΔФλ = ΔUλ / Sλ.абс , где ΔUλ - сигнал с ПОИ, вызванный монохроматическим потоком излучения ΔФλ . По определению относительной спектральной чувствительности: Sλ.абс = Sλ.max Sλ.отн , где Sλ.max - максимальная спектральная чувствительность ПОИ; Sλ.отн относительная спектральная чувствительность ПОИ. В соответствии с известной формулой связи интегральной и спектральной чувствительности: Sλ.max = Sинт / κэт , где Sинт - интегральная чувствительность ПОИ к излучению эталонного источника; κ - коэффициент использования излучения эталонного источника данным ПОИ. Таким образом, выражение для СПЭС на выходной щели примет вид: Мλ = ΔUλ κэт / [Sинт Sλ.отн ащ2 hщ (dλ / dl)] .

24

Описание лабораторной установки Лабораторная установка состоит из осветителя 1 (рис. 17), включающего фотометрическую лампу 2 с ленточным телом накала при температуре 2856 К и объектив 3, механизма перемещения щелевой маски, содержащего микрометрическую головку 4, неподвижные направляющие 5 для рамки с ПОИ (фоторезистором) 15 и горизонтальной щелью высотой 2 мм и подвижные направляющие 6 с пружиной для рамки со щелевой маской 7, монохроматора 8 с призмой из LiF, оптическая схема которого изображена на рис. 14 и который содержит зеркальный объектив с фокусным расстоянием 180 мм, модулятора 9, состоящего из двигателя 10 и модулирующего диска 11, блока питания 12 лампы и модулятора, ПОИ 13 (фоторезистора ФСА1 с интегральной вольтовой чувствительностью к излучению лампы 1500 В/Вт и коэффициентом использования излучения лампы ???), устанавливаемого на выходную щель, измерительного усилителя 14, гелий-неонового лазера 16 типа ЛГ-78 и блока питания лазера 17 и блока питания ПОИ 18 и регистрирующего прибора 19. 1

2

3 15

5 18

7

6

4

8 19

14

12 13

10 17

16

9

11

Рис. 17. Схема лабораторной установки 25

Порядок выполнения работы 1. Измерение спектрального распределения энергетической светимости ИЗСС как функции от положения щелевой маски. 1.1. Снять ПОИ с выходной щели и снять кожух с ИЗСС. 1.2. Включить лампу ИЗСС тумблером на блоке питания лампы и модулятора. 1.3. Установить размер выходной щели в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, приведенными на лабораторной установке. 1.4. Вставить щелевую маску в подвижные направляющие. 1.5. Вращая микрометрическую головку и перемещая, таким образом, щелевую маску, убедиться, что изображение щелевой маски в виде спектра перемещается по выходной щели (при этом надо следить, чтобы модулирующий диск не перекрывал излучение). 1.6. Надеть кожух ИЗСС, установить ПОИ на выходную щель и подключить его к измерительному усилителю и блоку питания ПОИ. 1.7. Включить измерительный усилитель и блок питания ПОИ. 1.8. Включить питание модулятора тумблером на блоке питания лампы и модулятора. 1.9. Вращая микрометрическую головку по часовой стрелке, добиться минимального регистрируемого сигнала на регистрирующем приборе при крайнем левом положении щелевой маски. Вращая головку против часовой стрелки, перемещать щелевую маску с шагом, равным ширине щели, и снимать напряжение по регистрирующему прибору. Измерения произвести 5 раз. Результаты занести в табл. 2. Таблица 2. Показания Сигнал усилителя, В ΔUl, микрометра, В U5 Uср U1 ... мм

2. Определение реперной точки. 2.1. Снять ПОИ с выходной щели и отключить его от измерительного усилителя. 2.2. Снять кожух ИЗСС. 2.3. Установить ширину выходной щели в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, приведенными на лабораторной установке. 26

2.4. Вынуть рамку со щелевой маской, вставить рамку с ПОИ в подвижные направляющие и подключить ПОИ к измерительному усилителю и блоку питания ПОИ. 2.5. Включить блок питания лазера. 2.6. Навести луч лазера на выходную щель и перемещая лазер по высоте и разворачивая его, добиться четкого изображения в плоскости горизонтальной щели ПОИ. 2.7. Вставить рамку со щелевой маской и, вращая микрометрическую головку, добиться попадания излучения лазера на щель ПОИ и появления сигнала на регистрирующем приборе. 2.8. Определить реперную точку для длины волны излучения гелий-неонового лазера 0,6328 мкм: а) сместить щель, вращая микрометрическую головку против часовой стрелки до исчезновения сигнала; б) вращая головку по часовой стрелке, добиться максимального сигнала и остановить вращение, как только начнется уменьшение сигнала; повторить измерения 5 раз и занести результаты в табл. 3; Таблица 3. По часовой стрелке Против часовой стрелки Реперная точка l'1 , … l'5 , l'ср , l"1 , … l"5 , l"ср , lреп , мм мм мм мм мм мм мм

в) сместить щель вращением микрометрической головки по часовой стрелке до исчезновения сигнала; г) вращая головку против часовой стрелки, добиться максимального сигнала и остановить вращение, как только начнется уменьшение сигнала; повторить измерения 5 раз и занести результаты в табл. 3. 3. Расчет зависимости выходного сигнала ПОИ от положения щелевой маски. Рассчитать среднее значение выходного сигнала ПОИ для каждого положения щелевой маски ΔUl (l) = Uср(l) и записать результаты в табл. 2. 4. Расчет значения реперной точки. Рассчитать значение реперной точки lреп = (l'ср + l"ср)/2 27

и записать результаты в табл. 3. 5. Расчет линейной дисперсии ИЗСС. 5.1. Занести в табл. 5 значения λ и n из табл. 4.

λ, мкм 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

λ, мкм … λреп …

n 1,39430 1,39181 1,39017 1,38896 1,38797 1,38711 1,38631

n

λ, мкм 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Δλ, мкм

n 1,38554 1,38477 1,38400 1,38320 1,38238 1,38153 1,38064

λср , мкм

nср

λ, мкм 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5

Δn

n 1,37971 1,37875 1,37774 1,37669 1,37560 1,37446 1,37327

Δl, мм

Таблица 4 n λ, мкм 2,6 1,37203 2,7 1,37075 2,8 1,36942 2,9 1,36804 3,0 1,36660

Таблица 5. l, dλ /dl, мм мкм/мм

5.2. Рассчитать для каждой длины волны значения Δλi = λi+1 - λi ; λср = (λi+1 + λi)/2 ; nср = (ni + ni+1)/2 ; Δni = ni - ni+1 ; Δli = 2 Δni f'об sin (α/2) / 1 − n 2 sin 2 (α / 2) ; (dλ/dl)i = Δλi / Δli и занести их в табл. 5. 6. Расчет привязки длин волн к отсчетам микрометрической головки. Для привязки длин волн к отсчетам микрометрической головки следует рассчитать для каждой длины волны значения li[λреп + (Δλ1 +…+ Δλi)] = lреп +(Δl1 +…+ Δli) и занести их в табл. 5.

Sλ.отн

7. Расчет СПЭС на выходной щели ИЗСС. 7.1. Занести в табл. 6 значения l, λ = f(l), dλ/dl = f(λ) из табл. 5, из рис. 18 и ΔUλ = ΔUl(λ), где ΔUl - значения из табл. 2. 28

l, мм

λ, мкм

ΔUλ , В

dλ/dl , мкм/мм

Sλ.отн

Таблица 6. Мλ , Вт/(мм2⋅мкм)

7.2. Рассчитать для каждой длины волны СПЭС по формуле Мλ = ΔUλ κэт / [Sинт Sλ.отн ащ2 hщ (dλ/dl)] и занести результаты в табл. 6. Sλ.отн.эт

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 λ, мкм 0,4

0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

Рис. 18. Относительная спектральная характеристика чувствительности ФСА-1 8. Расчет маски для имитации излучения объекта (по указанию преподавателя). 8.1. Занести в табл. 7 значения l, λ и Мλ из табл. 6.

l, мм

λ, мкм

Мλ , Вт/(мм2⋅мкм)

Мλ.об , Вт/(мм2⋅мкм)

Таблица 7. h(l) , γ(l) мм

8.2. Задаться спектральным распределением энергетической светимости объекта Мλ.об (по указанию преподавателя) и занести его значения в табл. 7. 8.3. Рассчитать коэффициент, учитывающий необходимое ослабление излучения ИЗСС на различных длинах волн 29

γ(li) = Мλ.об(li) / Мλ(li) и занести значения в табл. 7. 8.4. Рассчитать высоту щелевой маски при ее фиксированной ширине h(li) = h0 γ(li) , где h0 - высота щелевой маски при измерении СПЭС на выходной щели ИЗСС, и занести результаты в табл. 7. Содержание отчета 1. Краткие сведения о назначении ИЗСС, принципе действия и схеме ИЗСС, типах масок. 2. Схема и описание лабораторной установки. 3. Таблицы с результатами измерений и вычислений. 4. Методика расчета СПЭС на выходной щели ИЗСС. 5. Графики относительной спектральной чувствительности ПОИ, зависимостей dλ/dl = f(λ), ΔU = f(λ) и ΔU = f(l) на одном графике с двумя осями абсцисс, спектрального распределения энергетической светимости на выходной щели ИЗСС. 6. Методика построения масок. 7. Эскиз маски. Вопросы для подготовки 1. Назначение и принцип действия ИЗСС. 2. Методика измерения СПЭС на выходной щели ИЗСС. 3. Методика определения реперной точки. 4. Методика расчета спектрального распределения энергетической светимости на выходной щели ИЗСС. 5. Методика построения масок и типы масок. Литература 1.Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб: Политехника, 1991. 2.Г.Г. Ишанин. Источник инфракрасного излучения с заданным спектральным составом // Труды ЛИТМО, вып. 76, 1974.

30

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДИКАТРИС ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ"* Цели работы − изучить устройство и принцип действия полупроводниковых излучающих диодов (ПИД); − дать практические навыки по экспериментальному определению индикатрис источников излучения; − изучить физические и конструктивные факторы, влияющие на индикатрисы излучения ПИД; − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения". Краткие теоретические сведения Принцип действия ПИД (светодиодов) основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с p-nпереходом. ПИД преобразуют электрическую энергию в энергию излучения. При протекании тока через p-n-переход значительная часть неосновных носителей заряда рекомбинирует, излучая при этом фотоны. Вводимые в исходный материал при создании p-n-перехода примеси являются активаторами люминесценции. Основными параметрами ПИД являются квантовая эффективность, мощность излучения (яркость), время нарастания и спада импульса излучения, угол излучения. К основным характеристикам ПИД относятся спектральная характеристика излучения, яркостная характеристика, вольт-амперная характеристика, индикатриса излучения. Спектр электролюминесценции определяется шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала и механизмом рекомбинации. Квантовая эффективность ⎯ это отношение числа испускаемых квантов к количеству прошедших через p-n-переход электронов. Внутренняя квантовая эффективность определяется коэффициентом инжекции в область эффективной люминесценции и соотношением скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации. Внешняя квантовая эффективность зависит также от формы кристалла с p-n-переходом, конструкции ПИД и от поглощения 31

излучения при его выводе из кристалла. Индикатриса излучения (диаграмма направленности излучения) источника излучения L(ϕ,θ) или I(ϕ,θ) ⎯ это распределение яркости или силы излучения источника в пространстве или плоскости (рис. 19). Угол излучения θпид ⎯ угол между направлениями, где относительная сила излучения ПИД превышает уровень 0,5 (рис. 19). θпид θ Iотн(θ)

0,5

1

Рис. 19. Индикатриса силы излучения ПИД Индикатриса излучения ПИД, в основном, определяется его материалом и конструкцией (рис. 20). 1

p

1

1 1

p

1

1

n

n

n 2

1

3 а

б

p

1 в

Рис. 20. Схемы конструкций ПИД: а - отражательный ПИД; б - плоский ПИД; в - полусферический ПИД; 1 - контакты; 2 - параболическая поверхность; 3 - отражающее покрытие Значительную концентрацию потока излучения вдоль какоголибо направления удается получить лишь за счет использования 32

1

дополнительных внешних фокусирующих элементов или отражающих покрытий, нанесенных на кристалл (рис. 20, а). Потери излучения в ПИД плоской конструкции (рис. 20, б) обусловлены тем, что на границе "кристалл - воздух" имеет место полное внутреннее отражение той части потока, угол падения которой на границу сред превышает критический. Описание лабораторной установки Установка (рис. 21) состоит из фотоприемной головки 1 с фотодиодом 2, расположенным в фокальной плоскости объектива 3, и набора испытываемых ПИД 4, устанавливаемых на поворотном устройстве 5. Питание на ПИД 4 подается от блока питания 8, встроенного в персональную ЭВМ 7. Излучение ПИД модулируется напряжением питания с частотой 50 Гц. Сигнал от фотодиода поступает через аналого-цифровой преобразователь 6 в ПЭВМ 7.

1

3

5

θ

2

4

6 8

~220 В

7

Рис. 21. Схема лабораторной установки Порядок выполнения работы 1. Вставить загрузочную дискету в дисковод. 2. Включить ПЭВМ выключателем слева на задней стенке сис-

темного блока и монитор выключателем на передней стенке монитора 33

(должны загореться 2 красные лампочки на клавиатуре, а на экране появиться символ "]" ). 3. Загрузить программу выполнения лабораторной работы: [RUN LS], [RETURN]. 4. Прочитать указания на экране монитора и в дальнейшем выполнять все инструкции, появляющиеся на экране. 5. После начальной информации следует осуществить прогрев установки в течение 2...3 минут. 6. После окончания прогрева нажать любую клавишу и провести калибровку системы, следуя указаниям, появляющимся на экране. Для этого необходимо установить поворотный столик с ПИД таким образом, чтобы оптические оси фотоприемной головки и ПИД примерно совпадали. Для изменения величины сигнала следует использовать потенциометр на правой стенке системного блока ПЭВМ. При правильной калибровке появится сообщение о готовности системы к работе. 7. Ввести шаг изменения угла поворота ПИД и количество серий измерений, которые задаются преподавателем. 8. Определить индикатрису излучения ПИД, разворачивая его в вертикальной плоскости. 8.1. Развернуть поворотное устройство в положение "-90°" с помощью маховичка привода, установив отметку "9" лимба против неподвижного индекса. 8.2. Нажать клавишу [RETURN]. Очередное показание величины угла поворота будет высвечиваться на экране монитора рядом с курсором. 8.3. Развернуть поворотное устройство на указанную на экране величину и нажать клавишу [RETURN]. Повторять эти действия до окончания первой серии измерений. 8.4. После проведения последнего измерения первой серии (при угле +90°) следует вернуть поворотное устройство в исходное положение (-90°). 8.5. Повторить п.п. 8.1-8.4 заданное число раз. 9. Установить поворотное устройство в нулевое положение, отпустить стопорный винт на оправе ПИД, повернуть оправу с ПИД вокруг горизонтальной оси на 90° в любую сторону и зажать стопорный винт. 10. Определить индикатрису излучения ПИД во второй плоскости, повторив п.п. 8.1-8.4 заданное число раз. 11. Получить результаты измерений в обеих плоскостях в таб34

личной и графической формах. Примечание. При появлении на экране сообщения "CAN NOT CONTINUE ERROR" следует обратиться к преподавателю. Содержание отчета 1. Краткие теоретические сведения (принцип действия, конст-

рукции, основные параметры и характеристики ПИД). 2. Схема лабораторной установки и ее описание. 3. Таблицы с результатами измерений. 4. Графики индикатрис излучения ПИД в двух плоскостях. 5. Выводы по работе. Вопросы для подготовки 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Принцип действия ПИД. Основные параметры и характеристики ПИД. Конструкции ПИД. Схема включения ПИД. Измерение и построение индикатрис излучения ПИД. Факторы, влияющие на вид индикатрисы излучения ПИД. Литература

Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991.

35

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ"* Цели работы − изучить угловые характеристики чувствительности приемников оптического излучения (ПОИ) на основе внутреннего фотоэффекта ⎯ фотоэлектрических полупроводниковых приемников (ФЭПП); − научиться согласовывать угловую характеристику чувствительности ПОИ с апертурным углом оптической системы; − ознакомиться с конструкцией некоторых типов ПОИ; − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения". Краткие теоретические сведения Угловая (апертурная) характеристика чувствительности ПОИ S(ϕ,θ) ⎯ это зависимость чувствительности ПОИ от угла падения лучей на его входное окно. С увеличением угла падения чувствительность ПОИ уменьшается. Это вызывается несколькими причинами. В некоторых ПОИ фоточувствительный элемент (ФЧЭ) удален от входного окна ПОИ (рис. 22), что приводит к потерям части потока при косом падении лучей. 3

2

4

5

1

6

Рис. 22. Конструкция фоторезистора в металлическом корпусе: 1 - изолирующая подложка; 2 - ФЧЭ; 3 - входное окно; 4 -корпус; 5 - контакт; 6 - вывод

36

При больших углах падения значительно увеличиваются потери потока за счет отражения от входного окна и ФЧЭ, так как, согласно закону Френеля, спектральный коэффициент отражения на границе "воздух - стекло": 1 ⎡ sin 2 ( ε − ε ' ) tg 2 ( ε − ε ' ) ⎤ ρ(λ ) = ⎢ 2 + ⎥, 2 ⎣ sin ( ε + ε ' ) tg 2 ( ε + ε ' ) ⎦

где ε и ε' ⎯ углы падения и преломления, соответственно. Кроме того, при наклонном падении пучка лучей действующее входное окно ПОИ уменьшается пропорционально косинусу угла падения (рис. 23). Dво Dво cos ε Входное окно ПОИ

ε

ФЧЭ

Рис. 23. Уменьшение действующего входного окна ПОИ при наклонном падении пучка лучей: Dво - диаметр входного окна ПОИ Указанные обстоятельства приводят к зависимости чувствительности ПОИ от угла падения лучей. Типичная угловая характеристика чувствительности ПОИ представлена на рис. 24. Sотн 1

0,5

θ θ0,5

Рис. 24. Угловая характеристика чувствительности ПОИ При расчете потока излучения, преобразуемого ПОИ в электри37

ческий сигнал (с учетом его угловой характеристики чувствительности), пользуются следующей формулой: 2 Φ e = τ во Φ 0 2 sin θ max

θ max

∫ sin θ cos θ S отн (θ) dθ = τ во Aа Φ 0

,

0

где τво ⎯ коэффициент пропускания входного окна ПОИ; Φ0 ⎯ поток излучения, падающий на входное окно ПОИ; θ ⎯ угол падения лучей на входное окно ПОИ; θmax ⎯ максимальный угол падения лучей на входное окно ПОИ; Sотн(θ) ⎯ относительная угловая характеристика чувствительности ПОИ; Аа ⎯ апертурный коэффициент ПОИ; Aа =

2 ∫ sin θ cosθ S отн (θ) dθ . sin θ max 2

Угловая характеристика чувствительности ПОИ дает возможность согласовать ПОИ с его оптической системой (рис. 25).

σ'А

ПОИ

f'

Рис. 25. Согласование ПОИ с оптической системой Если объектив ПОИ проектирует бесконечно удаленный источник излучения на входное окно ПОИ и облученность входного зрачка объектива во всех точках одинакова, то поток излучения, преобразуемый ПОИ в электрический сигнал, будет равен: 2 Φ e = τE вх Aвх 2 sin σ ' A

σ 'A

∫ sin θ cosθ S отн (θ) dθ = τE вх Авх Аа

,

0

где τ ⎯ коэффициент пропускания объектива и входного окна ПОИ; Евх ⎯ облученность входного зрачка объектива; Авх ⎯ площадь входного зрачка объектива; σ'А ⎯ задний апертурный угол объектива; 2 Аа = 2 sin σ' A

σ 'A

∫ sin θ cosθ S отн (θ) dθ

.

0

Обычно стремятся к тому, чтобы σ'А ≤ θ0,5.

38

Описание лабораторной установки Установка (рис. 26) состоит из коллиматора 1 с полупроводниковым излучающим диодом (ПИД) 2, расположенным в фокальной плоскости объектива коллиматора 3, и набора испытываемых ПОИ 4, устанавливаемых на поворотном устройстве 5. Питание на ПИД 2 подается от блока питания 6, встроенного в персональную ЭВМ 7. Излучение ПИД на основе арсенида галлия модулируется напряжением питания с частотой 50 Гц. Сигнал от ПОИ поступает через аналого-цифровой преобразователь 8 в ПЭВМ 7. Порядок выполнения работы 1. Вставить загрузочную дискету в дисковод. 2. Включить ПЭВМ выключателем слева на задней стенке сис-

темного блока и монитор выключателем на передней стенке монитора (должны загореться 2 красные лампочки на клавиатуре, а на экране появиться символ "]" и курсор). 1

3

5

θ

2

4

6 8

~220 В

7

Рис. 26. Схема лабораторной установки 3. Загрузить программу выполнения лабораторной работы:

[RUN LF] (или [RUN LRIAB]), [RETURN]. 4. Прочитать указания на экране монитора и в дальнейшем выполнять все инструкции, появляющиеся на экране. 5. После начальной информации следует осуществить прогрев 39

установки в течение 2...3 минут. 6. После окончания прогрева нажать любую клавишу и провести калибровку системы, следуя указаниям, появляющимся на экране. Для этого необходимо установить поворотный столик с ПОИ таким образом, чтобы оптические оси коллиматора и ПОИ примерно совпадали. Для изменения величины сигнала следует использовать потенциометр на правой стенке системного блока ПЭВМ. При правильной калибровке появится сообщение о готовности системы к работе. 7. Ввести шаг изменения угла поворота ПОИ и количество серий измерений, которые задаются преподавателем. 8. Определить угловую характеристику чувствительности ПОИ, разворачивая его в вертикальной плоскости. 8.1. Развернуть поворотное устройство в положение "-90°" с помощью маховичка привода, установив отметку "9" лимба против неподвижного индекса. 8.2. Нажать клавишу [RETURN]. Очередное показание величины угла поворота будет высвечиваться на экране монитора рядом с курсором. 8.3. Развернуть поворотное устройство на указанную на экране величину и нажать клавишу [RETURN]. Повторять эти действия до окончания первой серии измерений. 8.4. После проведения последнего измерения первой серии (при угле +90°) следует вернуть поворотное устройство в исходное положение (-90°). 8.5. Повторить п.п. 8.1-8.4 заданное число раз. 9. Установить поворотное устройство в нулевое положение, отпустить стопорный винт на оправе ПОИ, повернуть оправу с ПОИ вокруг горизонтальной оси на 90° в любую сторону и зажать стопорный винт. 10. Определить угловую характеристику чувствительности ПОИ во второй плоскости, повторив п.п. 8.1-8.4 заданное число раз. 11. Получить результаты измерений в обеих плоскостях в табличной и графической формах. Примечание. При появлении на экране сообщения "CAN NOT CONTINUE ERROR" следует обратиться к преподавателю.

Содержание отчета 1. Краткие теоретические сведения (угловая характеристика 40

чувствительности ПОИ, апертурный коэффициент ПОИ, конструкция ФЭПП). 2. Схема лабораторной установки и ее описание. 3. Таблицы с результатами измерений. 4. Графики угловых характеристик чувствительности ПОИ в двух плоскостях. 5. Выводы по работе. Вопросы для подготовки 1. Конструкции ФЭПП. 2. Угловая характеристика чувствительности, апертурный ко-

эффициент ПОИ и влияющие на них факторы. 3. Измерение и построение угловых характеристик чувствительности ПОИ. Литература 1. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991. 2. Гридин А.С., Панков Э.Д. Апертурные характеристики фотоприемников // Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. - 1968. - Т.XI, №1.

41

Лабораторная работа "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БОЛОМЕТРА" Цели работы − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения", раздел "Приемники излучения", темы "Чёрное тело и его модели", "Параметры и характеристики приемников излучения" и "Тепловые приемники излучения"; − изучить устройство, принцип действия, основные параметры и схемы включения болометров; − изучить устройство и принцип действия источника калибровочного излучения типа "черное тело"; − ознакомиться с работой измерительной аппаратуры; − измерить порог чувствительности болометра с помощью "черного тела"; − исследовать зависимость порога чувствительности болометра от частоты модуляции потока излучения и от ширины полосы частот усилительного тракта. Краткие теоретические сведения Болометр - это тепловой приемник оптического излучения, принцип действия которого основан на изменении сопротивления чувствительного слоя при нагреве его под воздействием падающего потока излучения. Чувствительный слой болометра представляет собой тонкую металлическую или полупроводниковую пленку, являющуюся фактически терморезистором. Обычно болометр состоит из двух термочувствительных резисторов такого типа. Один из них является приемным и подвергается воздействию потока излучения, а второй (компенсационный) служит для компенсации влияния изменения температуры внешней среды на величину сигнала, снимаемого с основного терморезистора. Изменение сопротивления чувствительного слоя болометра при его нагревании зависит от температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α, который определяется выражением: 42

α = (1 / R )(dR / dT ),

где R - сопротивление чувствительного слоя болометра при температуре T. У полупроводниковых материалов ТКС отрицателен, а его абсолютная величина больше, чем у металлов. Поэтому полупроводниковые болометры по сравнению с металлическими обладают большей чувствительностью. Сигналы, снимаемые с выхода болометра, как правило, малы и перед их дальнейшим использованием должны предварительно усиливаться. На вход усилителя болометры включаются либо по мостовой схеме (рис. 27), либо по схеме, в которой компенсационный элемент играет роль нагрузочного сопротивления. Сигнал, поступающий на вход усилителя, пропорционален изменению температуры [1]. Интегральная чувствительность болометра определяется отношением изменения напряжения, вызванного падающим на него потоком излучения, к величине этого потока. Порог чувствительности Фп - это среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на приемник излучения модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока излучения. В данной лабораторной работе сделаем допущение, что болометр - неселективный приёмник, то есть его спектральная чувствительность не зависит от длины волны в достаточно широком спектральном интервале, поэтому порог чувствительности болометров определяется уровнем его внутренних шумов (теплового и токового), а также внешним шумом (радиационным) [1]. У металлических болометров преобладает тепловой, а у полупроводниковых - токовый шум. Токовый шум (избыточный, 1/fм - шум) объединяет несколько видов шума, которые отдельно рассчитать трудно. Он зависит от состояния поверхности и технологии изготовления фоточувствительного слоя, от качества контактов и токов утечки. Дисперсия токового шума определяется выражением: U 2 i = Am R 2 I 2

Δf , fм

43

где Аm = 10-13…10-9; R - сопротивление болометра; Δf - ширина полосы пропускания измерительной системы; f - частота модуляции потока излучения; I - ток, протекающий через болометр. ИК

Rd

Rd-ΔRd

к усилителю +

R1

-

Uп

Rн

R3

R2

Рис. 27. Мостовая схема включения болометрического приемника для измерений на постоянном токе: ИК - излучение, падающее на рабочий фоточувствительный элемент (ФЧЭ) болометра; Rd - сопротивление необлучаемого (компенсационного) ФЧЭ болометра; (Rd - ΔRd) - сопротивление облучаемого (рабочего) ФЧЭ болометра; R1, R3 - сопротивления в плечах моста; R3 - балансировочное сопротивление; Uп - напряжение питания Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов в самом ПИ и имеет равномерный спектр. Дисперсия теплового шума: Uт

2

= 4 KTRΔf ;

2

I т = 4 KTR −1 Δf

где К - постоянная Больцмана; К=1,3805⋅10¯23 Дж/К; Т - термодинамическая температура болометра. 44

Радиационный шум обусловлен флуктуациями потока излучения и потоков, возникающих при теплообмене чувствительного элемента болометра с окружающей средой. Дисперсия напряжения радиационного шума при тепловом источнике излучения с учетом инерционности болометра [1]: U2

рад

(

)

= ΔФ р S 2 и = 16 K (Т об Фоб + Т б Фб ) 2

S 2 и Δf

1 + (2πfτ уст )

2

,

где (ΔФр)² - дисперсия суммарного потока излучения теплового источника; SU - вольтовая чувствительность болометра; Тоб - термодинамическая температура объектов, излучение от которых попадает на чувствительную площадку болометра; Тб - термодинамическая температура болометра; Фб - собственный поток излучения болометра. Суммарная дисперсия напряжения шума: U 2 ш = U 2 т + U 2 i + U 2 рад

Для исследования в лабораторной установке используется полупроводниковый болометр БСГ- 2 [2]. Характеристики полупроводникового болометра БСГ-2 Габаритные размеры чувствительного элемента, мм×мм ___2,5 × 0,5. Интегральная чувствительность, В/Вт ________________ 500…3000. Удельный порог чувствительности, Вт/(см⋅Гц1/2) ___________ 5⋅10-10. Сопротивление, Ом________________________________ (1,73…4)⋅106. Частота модуляции, Гц ____________________________________ 10. Постоянная времени, мс ________________________________ 13…20. Рабочий ток, мкА _________________________________________ 20. В болометре БСГ-2 чувствительный элемент выполнен в виде тонкого (0,03...0,05 мм) слоя германия, легированного сурьмой. Чувствительный элемент покрыт поглощающим покрытием, получающимся в результате термического испарения чистого золота в атмосфере азота с последующим осаждением золота на пленку нитроклетчатки. Толщина поглощающего покрытия - от 10 до 30 мкм. Чувствительный элемент помещен в герметичный корпус с входным окном из кристалла KRS-5 (рис. 28). 45

Измерения порога чувствительности производятся по эталонным источникам. В фотометрии принято в качестве эталонных источников использовать "черное тело" (ЧТ). ЧТ или полный излучатель это тепловой источник излучения, который для всех длин волн и при всех температурах имеет коэффициент поглощения α(λ,Т), равный 1 [2].

Рис. 28. Конструкция полупроводникового болометра Энергетическая светимость ЧТ определяется законом СтефанаБольцмана: M е (T ) = σT 4 , 0

где Ме° - энергетическая светимость ЧТ; Т - термодинамическая температура ЧТ; σ - постоянная Стефана - Больцмана; σ = = 5,67⋅10-12 Вт/(см²⋅К4). Распределение мощности излучения ЧТ по спектру описывается законом Планка: −1

⎛ λCT2 ⎞ M e ,λ (λ , T ) = C1 λ ⎜ e − 1⎟ , ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 0

−5

где Ме,λ - спектральная плотность энергетической светимости (СПЭС) ЧТ; С1, С2 - постоянные Планка; С1 = 3,74 Вт⋅см-12 ; С2 = = 1,433⋅104 мкм⋅К. Коэффициент теплового излучения - степень приближения излучения реального тела при данной температуре к излучению черного тела. Для ЧТ: ε (λ , T ) = α (λ , T ) = 1

46

Черных тел в природе не существует. Однако можно выполнить различные модели источников температурного излучения, излучение которых с достаточной для практических целей точностью приближается к излучению черного тела. Такие источники излучения находят своё применение в качестве образцовых ИК излучателей для градуировки приемников ИК излучения, определения чувствительности приборов ИК техники, градуировки приборов ИК спектроскопии. В качестве модели ЧТ может быть использована любая непрозрачная замкнутая полость с равномерно нагретыми стенками, имеющая небольшое отверстие для выхода излучения. Геометрическая форма полости существенного значения не имеет и выбирается в зависимости от конструкции ЧТ. Важно лишь, чтобы температура полости поддерживалась постоянной и площадь излучающего отверстия была намного меньше площади внутренней поверхности полости.

Рис. 29. Формы полостей, используемых в различных моделях ЧТ (на рисунке глубина каждой из излучающий полостей обозначена стрелкой) Степень совершенства модели, то есть её приближения к ЧТ, характеризуется эффективным коэффициентом теплового излучения εэф, представляющим собой отношение потока излучения Φе, исходя47

щего из отверстия модели, к потоку излучения Φе0 ЧТ при той же температуре. εеф = Φе / Φе0 Методика определения чувствительности болометра Методика определения порога чувствительности болометра основана на использовании двух эталонных излучателей - моделей ЧТ (рис. 30).

1

2

3

4

Uпит.

I Rн

II L

И U

7

5

6

Рис. 30. Схема лабораторной установки: 1- модель ЧТ; 2 - заслонка; 3 - термостабилизированная диафрагма с температурой Тд ; 4 - модулятор; 5 - экран; 6 - болометр; 7 - измерительный усилитель В случае, когда заслонка 2 находится в положении I, на чувствительный элемент болометра попадает поток излучения от ЧТ 1, ограниченный диафрагмой 3. Если заслонка находится в положении II, то она вместе с диафрагмой образует второе ЧТ с температурой Т = Т2. 48

Температура чувствительного элемента болометра будет определяться суммарным потоком излучения, попадающим на его чувствительную площадку, и собственным потоком излучения болометра (теплообмен). При фиксированном положении заслонки напряжение на выходе измерительного усилителя Uвых будет определяться приращением потока излучения ΔФпр, попадающего на болометр, интегральной чувствительностью SU и коэффициентом усиления измерительного усилителя Ку: U в ых = K у S и ΔФпр ,

где ΔФпр - определяется разностью принимаемых потоков излучения для случая, когда диск модулятора не перекрывает диафрагму 3, и случая, когда диск перекрывает последнюю. Учитывая всё это, определим напряжение на выходе измерительного усилителя для двух случаев: А) заслонка в положении I: U в ых1 = K у S и ΔФ пр =

= K у S и (Ф пр.чт + Ф пр.к з + Физ ) − K у S и (Ф м + Фф + Физ ) =

(

)

(

)

= K у S и Апр Е е пр.чт + Е е пр.кз + Е е пр.ф − М е − К у S и Апр Е е м + Е е ф − М е = ⎛ ε 1σT1 4 A2 ⎞ = К у S и Апр ⎜ + E е к . з . − Е е м ⎟, 2 ⎜ π ⎟ l ⎝ ⎠

где: Ку - коэффициент усиления измерительного усилителя; SU интегральная чувствительность ПОИ; Aпр - площадь фоточувствительной площадки ПОИ; ε1 - коэффициент теплового излучения ЧТ; σ постоянная Стефана-Больцмана; T1 - температура ЧТ; Aд - площадь диафрагмы; Фпрчт - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от ЧТ; Фпр.к.з. - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от кольцевой зоны, образованной отверстием диафрагмы и отверстием экрана; Фпр.ф. - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от фона; Фм - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от дисков модулятора; Физл - поток, излучаемый самим ПОИ в окружающую среду; Ме - энергетическая светимость самого ПОИ; Ее - облученность. Б) заслонка в положении II: ⎛ ε σТ 4 А ⎞ U в ых2 = Sи К у Апр ⎜⎜ 2 2 2д + Eе кз + Ее м ⎟⎟ ⎝ π l ⎠

49

где l - расстояние от выходного отверстия термостабилизированной диафрагмы до плоскости чувствительной площадки ПОИ. ЗАМЕЧАНИЕ: при определении Uв1 было сделано допущение, что в пределах рабочего диапазона длин волн приемник является неселективным (коэффициент использования для принимаемых потоков равен 1). Учитывая выражения для случаев A) и Б), находим: ΔU вых = U 1 − U 2 = S и К у Апр

Ад

πl

2

(ε T

4 1 1

− ε 2 T24

)

Тогда для интегральной чувствительности системы "ПОИ - измерительный усилитель" можем записать: S c = S инт K у =

(

ΔU

Aпр Aд ε 1T1 − ε 2 T2 4

4

)

πl 2

Порог чувствительности системы "ПОИ - измерительный усилитель", приведенный к единичной полосе частот, можно определить по формуле: Фпор.с =

U ш2 .с ΔΦ

=

ΔU Δf

U ш2 .с Sс Δf

,

где U ш2 .с - среднее квадратическое значение (СКЗ) напряжения шумов системы "ПОИ -измерительный усилитель". В случае, когда шумы измерительного усилителя пренебрежимо малы по сравнению с шумами ПОИ, можно считать, что Фпор.с приблизительно равен Фпор.пои . Окончательно для порогового потока ПОИ, приведенного к единичной полосе частот, имеем: Фпор.пои ≈

U ш .с .

2

S c Δf

С учетом выражения для Sc получим: 2

Фпор.пои ≈

(

U ш.с. ААд ε 1Т 1 − ε 2 Т 2

(U

1

4

)

4

)

− U 2 πl 2 Δf

Заметим, что для определения порога чувствительности болометра (Фпор.пои) по заданной методике необходимо измерить только напряжение на выходе измерительного усилителя при двух положениях заслонки 2 и произвести серию измерений напряжения шума. 50

Далее необходимо найти СКЗ шума и при известных Апр, Ад, ε1, T1, ε2, T2, l, ∆f можно рассчитать Фпор.пои. Описание лабораторной установки Схема лабораторной установки приведена на рис. 31. На схеме приняты следующие условные обозначения: ЧТ - модель черного тела с температурой излучающей полости Т = 423 К (ЧТ №1); ЭТ - электронный термометр; БРТ - блок регулировки температуры ТСД; З – заслонка; М – модулятор; Э – экран; Б – болометр; БПБ – блок питания болометра; ГОН - оптронный генератор опорных напряжений; Д – двигатель; ПУ – предварительный усилитель; УП усилитель– преобразователь; О - осциллограф С1-83; ЦВ - цифровой вольтметр ВЦ15-16; ТСД - термостабилизированная диафрагма. Блок регулирования температуры поддерживает постоянную температуру первого черного тела, равную 150 °С или 423 К. Контроль температуры ЧТ №2 (диафрагма плюс заслонка) ведется по цифровому индикатору на электронном термометре. Излучение ЧТ №1 проходит через ТСД (когда заслонка открыта) и поступает на модулятор. Заслонка и ТСД имеют температуру, равную температуре диафрагмы (температура снимается по электронному термометру). Модулятор приводится во вращение электродвигателем, который запитан от УП. Излучение модулируется с частотой, которую можно ступенчато менять. Через оптронный ГОН на УП поступает опорный сигнал. Модулируемое излучение поступает на исследуемый болометр, питание на который подается от БПБ. Сигнал болометра усиливается ПУ, питание на который подается от УП. Усиленный сигнал идет на синхронный детектор в УП, а преобразованный сигнал детектора поступает на О и ЦВ. Чувствительная площадка болометра имеет размеры 2,5×0,5 мм, диаметр диафрагмы - 4 мм. Температура черных тел снимается по индикатору ЭТ. Расстояние от выходного отверстия ТСД до плоскости чувствительной площадки ПОИ измеряется на установке, Δf устанавливается соответствующим переключателем на лицевой панели УП (целесообразно взять Δf = 1 Гц). Порядок выполнения работы 1.Включить блок регулирования температуры, поставив 2 тумблера в положение "Вкл". Включить ЭТ, нажав 2 кнопки "Сеть". Включить УП, нажав кнопку "Сеть". 51

РИС. 31

52

2.Установить переключателем "Температура статирования" на блоке регулирования температуры значение "150 ˚С" и проконтролировать его достижение по ЭТ. 3.Установить полосу пропускания УП Δf = 1 Гц соответствующим переключателем на лицевой панели. 4.Подать питание на болометр, включив тумблер на блоке питания болометра. Закрыть фотоприемник и измерить мгновенное значение уровня шума установки Uш.с. Измерения производить, нажимая кнопку "Пуск" на ЦВ. Кнопку нажимать с интервалом времени, не превышающим 5 постоянных времени ЦВ, снять 50 отсчетов и занести их в табл. 8.

№ п/п

Таблица 8. Uш.с, В

5.Открыть чувствительную площадку ПОИ, снять крышку, снять по 30 отсчетов напряжения на выходе УП (по ЦВ) Uвых1 и Uвых2, соответственно, при открытой и закрытой заслонке 2 (рис. 30). Занести результаты измерений в табл. 9. При снятии отсчетов учитывать ослабление УП.

№ п/п

Uвых1, В

Таблица 9. Uвых2, В

6.Измерить расстояние l от ТCД до плоскости чувствительной площадки ПОИ. Обработка

результатов

1.Найти средние квадратические значения напряжения шума. 2.Найти среднее значение напряжений Ū1 и Ū2. 3.Рассчитать порог чувствительности исследуемого болометра Фпор.пои, при этом принять ε1 = ε2 = 0,99. 4. Оценить погрешность измерения порога чувствительности болометра. 5.Сделать выводы по работе.

53

Содержание отчета 1.Теоретическая часть (краткие сведения о ЧТ, болометре и его пороге чувствительности). 2.Схема и описание установки. 3.Таблицы с результатами измерений и расчетов. 4.Расчет погрешности измерений. 5.Выводы по результатам измерений. Вопросы для подготовки 1.Принцип действия модели ЧТ. 2.Устройство, принцип действия болометров. 3.Основные параметры болометров. 4.Порог чувствительности болометров и факторы, влияющие на его величину. Литература 1. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991. - 240 с. 2. Криксунов Л.З. Справочник по основам ИК-техники. - М.: Советское радио, 1978.

54

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИОДОВ"* Цель работы Целью работы являются освоение методики снятия вольтамперных характеристик, приобретение навыков выбора оптимального режима работы фотодиода в оптико-электронных приборах и системах. Краткое описание аппаратных и программных средств установки Лабораторная установка реализована в виде специального модуля на печатной плате, расположенной в корпусе персонального компьютера (ПК) и подключенной через стандартный разъем к его системной шине. Структурная схема лабораторного комплекса показана на рис. 32. Системная шина ПК

Интерфейсные схемы

АЦП Rн

VD1 ЦАП1

VD2

ЦАП2

R0 Аппаратные средства лабораторного модуля

Рис. 32. Структурная схема лабораторного комплекса 55

В составе лабораторного модуля имеется: программноуправляемый источник оптического излучения VD1 - полупроводниковый излучающий диод (ПИД) марки АЛ107Б, подключенный к выходу цифрочерез ограничительное сопротивление Rо аналогового преобразователя ЦАП1. Изменение тока, протекающего через ПИД, а следовательно, и потока излучения, обеспечивается программой путем передачи управляющего кода на вход ЦАП1. На выходе ЦАП1 формируется регулируемое напряжение питания ПИД. Аналогичным образом (с помощью ЦАП2) осуществляется управление напряжением питания фотодиода VD2 марки ФД256. Измерение напряжения непосредственно на фотодиоде обеспечивается с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП, выход которого через интерфейсную схему также связан с системной шиной ПК. Специальная управляющая программа позволяет выполнять все необходимые измерения в ходе эксперимента как в "ручном", так и в автоматическом режимах. Порядок выполнения работы Первый этап работы выполняется в "ручном" режиме. Он заключается в исследовании "поведения" фотодиода при постоянной величине нагрузочного сопротивления Rн и при изменении полярности и величины напряжения питания. Для двух-трех значений потока излучения, которые следует согласовать с преподавателем или лаборантом, снимите зависимости напряжения на фотодиоде от напряжения источника питания (с учетом полярности) в диапазоне Uп = -6... +1 В. При известной величине сопротивления нагрузочного резистора (Rн = = 32 кОм) рассчитайте значения тока, протекающего через фотодиод при каждом значении выбранного напряжения питания. Результаты измерений оформите в виде табл. 10. Таблица 10. Uп , В .... ....

Ф = ... мкВт Uд , В .... ....

Iд , мкА .... ....

56

Примечания: 1. Шаг задания напряжений источника питания не обязательно должен быть одинаковым. Его следует выбирать с таким расчетом, чтобы было легко построить график Iд = f(Uд). Учитывая характер кривой, следует уменьшить шаг задания напряжений (например, до 0,1...0,2 В), когда напряжение на фотодиоде близко к нулю (от -1 до +1 В). 2. Последовательность задания напряжений источника питания может быть любой, то есть в ходе эксперимента могут быть получены дополнительные (промежуточные) точки, позволяющие уточнить ход зависимости. 3. Минимальное число точек измерения, при каждом значении потока - 10, но при необходимости число точек может быть увеличено путем повторного задания (после десяти измерений) того же значения потока. Закончив первый этап работы, обратитесь к преподавателю или лаборанту. После проверки правильности выполнения первого этапа работы следует перейти к следующему этапу, нажав клавиши [2], [5], [ENTER]. Второй этап начинается с наблюдения за процессом снятия семейства вольт-амперных характеристик в автоматическом режиме. При этом программным путем обеспечивается изменение величины потока и напряжения источника, измерение напряжения на фотодиоде и расчет силы тока, протекающего через нагрузку. После завершения процесса формирования вольт-амперных характеристик следует перейти к более детальному их исследованию в фотодиодном или фотогальваническом режиме (переход к тому или иному режиму осуществляется в соответствии с меню, отображаемым в нижней части экрана). В ф о т о д и о д н о м р е ж и м е , наблюдая на экране семейство вольт-амперных характеристик, выберите сначала напряжение источника (и введите его значение), а затем введите сопротивление нагрузки по постоянному току, при которых линия нагрузки будет пересекать хотя бы 2 - 3 вольт-амперные характеристики в области токов насыщения. Пользуясь вариантами представленного меню, Вы можете многократно изменять параметры схемы (Uп и Rн) до тех пор, пока не получите такой вид линии нагрузки, при котором обеспечивается максимальная вольтовая чувствительность 57

для заданного Фmax. При этом следует действовать сознательно, а не путем случайного подбора, т.е. заранее рассчитывая оптимальное значение Rн, при котором вторая точка линии нагрузки должна располагаться в желаемом месте на оси Iд. При необходимости можно очистить изображение семейства вольт-амперных характеристик от предыдущих построений. Для этого нужно нажать клавишу [Enter]. После завершения серии экспериментов запишите оптимально выбранные параметры Uп и Rн. Расчитайте соответствующее им значение вольтовой чувствительности SU = ΔUн/ ΔФ = Rн ⋅ ΔIн/ ΔФ [В/Вт] . Не выходя из фотодиодного режима, обратитесь к преподавателю или лаборанту, чтобы ввести режим продолжения. После разрешения преподавателя нажмите клавиши [2], [5], [ENTER]. Исследование фотодиодного режима заканчивается построением линии нагрузки по переменному току. Для этого в режиме продолжения необходимо: - ввести напряжение источника питания (конкретное значение рекомендуется согласовать с преподавателем); - ввести значение сопротивления нагрузки по постоянному току (следует иметь ввиду, что обычно сопротивление по постоянному току в схемах с дроссельной или трансформаторной нагрузкой не более 1 кОм. Это - активное сопротивление обмотки дросселя или трансформатора); - в соответствии с заданной величиной постоянной составляющей потока излучения (задает преподаватель), пользуясь вольтамперными характеристиками, ввести значение постоянной составляющей фототока; - ввести сопротивление нагрузки по переменному току (обычно стремятся обеспечить Rн~ >> Rн, т.е. следует задавать величину Rн~ в несколько десятков килоом); На экране воспроизводится нагрузочная характеристика по переменному току (в случае модулированного потока). При необходимости повторите эксперимент. Запишите параметры, соответствующие окончательному результату. Рассчитайте вольтовую чувствительность для данного случая. Полностью закончив исследование фотодиодного режима, перейдите (с помощью меню) к исследованию ф о т о г а л ь в а н и ч е 58

с к о г о режима. Наблюдая на экране семейство вольт-амперных характеристик, введите 2 - 3 раза сопротивление нагрузки по постоянному току Rн. Определите вольтовую чувствительность для выбранных значений Rн. Подумайте, как должна выглядеть линия нагрузки в фотогальваническом режиме в случае использования модулированного потока и нагрузки, разделенной по постоянному и переменному токам. В дальнейшем рекомендуется провести дополнительные исследования по своей инициативе, с целью более глубокого освоения данной темы и подготовки ответов на вопросы, приведенные в конце описания. Содержание отчета Объем и содержание теоретического раздела отчета формируется по усмотрению студента. Он может включать краткие теоретические сведения о фотодиодах и возможных режимах работы; структуру аппаратных средств лабораторного модуля и др. Однако, следует иметь ввиду, что при защите работы разрешается пользоваться только собственным отчетом, и сведения, которые в нем содержатся, могут быть полезными при обдумывании ответов. Основную часть отчета составляют результаты проведенных исследований и расчетов. К ним относятся: - таблицы, содержащие данные, полученные на первом этапе, а также графики вольт-амперных характеристик, соответствующие этому этапу ("ручной" режим); − параметры, выбранные при исследовании фотодиодного режима работы фотодиода (по постоянному и переменному токам) и соответствующие им рассчитанные значения вольтовой чувствительности; − параметры, выбранные при исследовании фотогальванического режима и соответствующие им рассчитанные значения вольтовой чувствительности. Вопросы для подготовки 1. Объясните все полученные Вами результаты. 2. Объясните физику работы фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режимах. 3. Каковы преимущества и недостатки каждого из них? 59

4. В каком из режимов (и почему) легче добиться линейной световой характеристики? 5. Из каких соображений, пользуясь вольт-амперной характеристикой, следует выбирать напряжение питания и величину сопротивления нагрузки? 6. Что дает разделение нагрузки по постоянному и переменному токам? 7. Объясните устройство аппаратных средств установки. 8. Каким образом строится линия нагрузки на вольт-амперных характеристиках? Из каких соображений следует выбирать Uп и Rн? 9. Как с помощью вольт-амперных характеристик и построенной линии нагрузки рассчитывается вольтовая чувствительность фотоприемного контура? Литература Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб: Политехника, 1991 (с. 112125).

60

Лабораторная работа "ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОДИОДОВ" Цели работы − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения" (раздел "Приемники оптического излучения", темы "Параметры и характеристики приемников оптического излучения", "Приемники оптического излучения на внутреннем фотоэффекте"); − дать практические навыки по экспериментальному измерению спектральной характеристики чувствительности приемников оптического излучения (ПОИ); − ознакомиться с устройством и работой монохроматора, измерительного усилителя и осциллографа. Краткие теоретические сведения Спектральная (монохроматическая ) чувствительность ПОИ Sλ - это чувствительность ПОИ к монохроматическому излучению: Sλ = dC/dФλ , где dC - электрический сигнал, вызываемый падающим на ПОИ монохроматическим потоком dФλ или монохроматической облученностью ПОИ dEλ. Спектральная характеристика чувствительности ПОИ S(λ) это зависимость спектральной чувствительности ПОИ от длины волны излучения. Она может быть абсолютной и относительной. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности ПОИ Sабс(λ) - это зависимость спектральной чувствительности ПОИ, измеренной в абсолютных единицах спектральной чувствительности, от длины волны излучения. Единицами спектральной чувствительности, в зависимости от вида электрического сигнала (фототок или напряжение фотосигнала) и системы фотометрических величин (энергетической или световой), могут быть А/Вт, В/Вт, А/лм, В/лм, А/лк и т.д. Относительная спектральная характеристика чувствительности ПОИ Sотн(λ) - это зависимость спектральной чувствительности 61

ПОИ, отнесенной к ее максимальному значению, от длины волны излучения. Относительная спектральная характеристика чувствительности фотоэлектрического полупроводникового приемника на внутреннем фотоэффекте (ФЭПП) зависит от материала фоточувствительного элемента (ФЧЭ) ФЭПП и, в отличие от абсолютной, практически одинакова для различных экземпляров ФЭПП одной марки. ФЭПП являются типичными селективными ПОИ (имеющими различную чувствительность к излучению различных длин волн), и их спектральная характеристика чувствительности имеет вид плавной кривой с максимумом на длине волны λmax , называемой длиной волны максимальной чувствительности (рис. 33): Sλ.абс, А/Вт Sλ.отн Sλ.max

Sабс(λ) Sотн(λ)

1

λ, мкм λmax

Рис. 33. Абсолютная и относительная характеристики спектральной чувствительности ПОИ Зная из паспорта конкретного экземпляра ПОИ его максимальную спектральную чувствительность, а из справочника - относительную характеристику спектральной чувствительности ПОИ данной марки, можно построить абсолютную характеристику спектральной чувствительности этого экземпляра ПОИ. Селективность ФЭПП объясняется селективностью процессов, происходящих в полупроводнике при внутреннем фотоэффекте. Во-первых, происходит частичное отражение излучения, падающего на поверхность фоточувствительного элемента (ФЧЭ) ПОИ, возрастающее с увеличением коэффициента преломления согласно 62

закону Френеля. Так как коэффициент отражения ρ селективен (рис. 34), то и величина проникающего в полупроводник излучения зависит от длины волны. ρ

λ

Рис. 34. Спектральное распределение коэффициента отражения германия Во-вторых, проникающее в полупроводник излучение поглощается, подчиняясь закону Бугера. Так как спектральный натуральный показатель поглощения а'(λ) селективен (рис. 35), то и величина поглощенного излучения зависит от длины волны. а'

собственное поглощение

λ примесное поглощение

Рис. 35. Спектральное распределение натурального показателя поглощения для примесного полупроводника В-третьих, происходит преобразование поглощенных квантов излучения в носители заряда, оцениваемое квантовым выходом полупроводника (числом пар носителей в чистом полупроводнике или числом носителей в примесном полупроводнике, образуемых 63

одним квантом излучения). Так как квантовый выход η селективен (рис. 36), то и количество образовавшихся носителей заряда зависит от длины волны. η

λ

Рис. 36. Спектральное распределение квантового выхода в германии Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 37) включает в себя следующее оборудование: осветитель 1 с лампой накаливания 2 и объективом 3, механический модулятор излучения 4 с двигателем 5 и модулирующим диском 6, монохроматор 7 (МДР-3), эталонный ПОИ 8 (фоторезистор ФСА-1), исследуемые фотодиоды 9 и 10, измерительный усилитель 11, цифровой вольтметр 12, блоки питания 13, 14 и 15. 13

14

3

2

12 11 10 9 15

5

6 8

7

4

1

Рис. 37. Схема лабораторной установки 64

Нить лампы 2 при помощи объектива 3 проектируется на входную щель монохроматора 7. Излучение модулируется модулирующим диском 6, закрепленным на оси двигателя 5. Питание на осветитель и модулятор поступает от блоков питания 14 и 13. На боковую выходную щель монохроматора устанавливается эталонный ПОИ 8, подключенный к блоку питания 15, а на основную выходную щель исследуемые фотодиоды 9 и 10. ПОИ подключаются к измерительному усилителю 11, с выходом которого соединен цифровой вольтметр 12. Порядок выполнения работы Подготовка к измерениям. Собрать установку по схеме, приведенной на рис. 37. После проверки схемы преподавателем включить приборы в сеть. Проверить заполнение входной щели монохроматора излучением. Установить рукоятку "Развертка спектра" на монохроматоре в положение "5" (ручная). 1. Определение спектрального распределения потока излучения на выходной щели монохроматора. 1.1. Направить излучение на боковую выходную щель монохроматора, установив рукоятку "Зеркало" под основной выходной щелью на левой стенке монохроматора в положение "Выкл". 1.2. Подключить установленный на боковую выходную щель монохроматора эталонный фоторезистор к усилителю и включить блок питания фоторезистора. 1.3. Установить размер входной и выходных щелей 0,5 мм и открыть входную щель, установив рукоятку "Затвор" в положение "Откр". 1.4. Установить коэффициент усиления измерительного усилителя и пределы измерения цифрового вольтметра в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, отмеченными на лабораторной установке. 1.5. Измерить с помощью цифрового вольтметра напряжение фотосигнала, снимаемого с ПОИ и усиленного измерительным усилителем, на различных длинах волн, устанавливая по шкале монохроматора с помощью рукоятки под шкалой длины волн от 800 до 2200 нм c интервалом 200 нм. показания шкалы надо умножать на 2. Результаты заносить в табл. 11. Измерения повторить 5 раз. 65

ВНИМАНИЕ!!! Показания шкалы длин волн монохроматора надо умножать на 2, чтобы перейти к длинам волн в микрометрах.

Длина волны λ, мкм 0,8 ... 2,2

Uэт.1

Сигнал усилителя, В Uэт.5 Uэт.ср Uэт.отн ...

Sλ.отн.эт

Таблица 11. Uэт.отн _____ ϕλ Sλ.отн.эт

2. Определение спектральной характеристики чувствительности фотодиодов. 2.1. Направить излучение на основную выходную щель монохроматора, установив рукоятку "Зеркало" под основной выходной щелью на левой стенке монохроматора в положение "Вкл". 2.2. Установить исследуемый фотодиод на основную выходную щель, подключить к усилителю, выключить блок питания фоторезистора и установить коэффициент усиления измерительного усилителя в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, отмеченными на лабораторной установке. 2.3. Измерить напряжение фотосигнала, снимаемого с ПОИ и усиленного измерительным усилителем, на различных длинах волн, устанавливая по шкале монохроматора с помощью рукоятки под шкалой длины волн от 800 нм с интервалом 200 нм для германиевого и 50 нм для кремниевого фотодиода. Результаты заносить в табл. 12. Измерения повторить 5 раз.

Длина волны λ, мкм 0,8 ...

Сигнал усилителя, В U5 Uср Uотн U1 ...

Uотн/ϕλ

Таблица 12. Sλ.отн

66

3. Расчет относительной спектральной характеристики чувствительности фотодиодов. 3.1. Рассчитать среднее значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 11 и записать результаты вычислений в таблицу. 3.2. Рассчитать относительное значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 11 Uэт.отн(λ) = Uэт.ср(λ) / Uэт.ср.max и записать результаты вычислений в таблицу. 3.3. Занести в табл. 11 значения относительной спектральной чувствительности эталонного ПОИ для соответствующих длин волн, воспользовавшись графиком на рис. 18. 3.4. Рассчитать для каждой длины волны относительное значение спектральной плотности потока излучения (СППИ), выходящего из выходной щели монохроматора и падающего на ФЧЭ исследуемых ПОИ. СППИ определяется спектром излучения источника и спектральным коэффициентом пропускания монохроматора с учетом относительной спектральной характеристики чувствительности эталонного ПОИ: ϕλ(λ) = [Uэт.отн(λ) / Sλ.отн.эт(λ)] / (Uэт.отн / Sλ.отн.эт)max . Результаты вычислений записать в табл. 11. Построить график ϕλ(λ). 3.5. Рассчитать среднее значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 12 и записать результаты вычислений в таблицу. 3.6. Рассчитать относительное значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 12 и записать результаты вычислений в таблицу. 3.7. Рассчитать для каждой длины волны относительное значение спектральной чувствительности исследуемого фотодиода: Sλ.отн(λ) = [Uотн(λ) / ϕλ(λ)] / (Uотн / ϕλ)max . Результаты вычислений записать в табл. 12. При расчете Sλ.отн(λ) для кремниевого фотодиода значения ϕλ снимаются с графика ϕλ(λ). Содержание отчета 1. Теоретическая часть (краткие сведения из теории спектральной характеристики чувствительности ФЭПП). 2. Схема лабораторной установки и ее описание. 3. Таблицы с результатами измерений и вычислений. 67

4. Расчет погрешности измерений (обработка результатов наблюдений в одной строке из любой таблицы). 5. Графики: 1) относительного спектрального распределения потока излучения на выходной щели монохроматора; 2) относительной спектральной характеристики чувствительности эталонного ПОИ; 3) относительной спектральной характеристики чувствительности исследуемых фотодиодов. 6. Выводы по работе (результатам измерений и вычислений). Вопросы для подготовки 1. Сущность внутреннего фотоэффекта и типы ФЭПП. 2. Схемы включения ФЭПП. 3. Принцип действия ФЭПП. 4. Спектральная чувствительность, спектральная характеристика чувствительности и их виды. 5. Факторы, определяющие селективность ФЭПП. 6. Методика измерения спектральных характеристик чувствительности ПОИ. 7. Методика расчета спектральных характеристик чувствительности. Литература 1. Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб: Политехника, 1991. 2. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик.

68

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ"* Цель работы Целью работы является изучение физических процессов, протекающих в ПЗС-структуре при формировании видеосигнала, соответствующего пространственной структуре оптического изображения, исследование основных источников шумов и искажений в ФПЗС, работающих в средней ИК области спектра, а также метода алгоритмической коррекции «геометрического» шума. Краткие теоретические сведения Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл-диэлектрикполупроводник), выполненных на одном кристалле и образующих систему элементарных конденсаторов. В ФПЗС осуществляется: формирование зарядового рельефа, адекватного распределению освещённости на фоточувствительной поверхности, хранение и перенос зарядового рельефа в сторону выходного устройства, а также детектирование зарядов, то есть преобразование зарядов в видеоимпульсы напряжений (формирование видеосигнала). Таким образом, ФПЗС выполняет одновременно функции приёмника и анализатора оптического изображения. Благодаря регулярности структуры, на одном кристалле ФПЗС удаётся разместить большое число (до 1 и более миллионов) элементов. Современные ФПЗС фактически являются многофункциональными приборами, которые могут работать по различным алгоритмам в зависимости от управляющих сигналов. Рассмотрим физические процессы, протекающие при формировании зарядового рельефа в ФПЗС, реализованного на подложке из nполупроводника. Зонные энергетические диаграммы МДП-структуры при отсутствии напряжения между подложкой и металлическим электродом и при наличии на электроде отрицательного относительно подложки потенциала в режиме накопления подробно описаны в литературе (см., например, литературу, указанную в конце настоящего описания). Под воздействием внешнего поля вблизи границы раздела "диэлектрик-полупроводник" под управляющим электродом образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться неосновные носители заряда (дырки), возникающие за счёт тепловой генерации и в результате поглощения квантов оптического излучения. Очевидно, 69

что приповерхностный слой обеднён основными носителями (электронами), которые вытеснены внешним электрическим полем вглубь полупроводниковой подложки. По мере накопления неосновных носителей (дырок) глубина потенциальной ямы уменьшается и одновременно увеличивается напряжённость поля в плёнке окисла. В случае переполнения потенциальной ямы избыточные заряды будут инжектироваться в подложку, где они рекомбинируют с основными носителями. Часть избыточных зарядов может попадать в соседние потенциальные ямы, искажая зарядовый рельеф. Максимальное число накапливаемых в потенциальной яме зарядов определяется приближённым выражением N

m ax

≈ U

н

A эл C

' ок

/ e = U

н

A эл

ε 0ε ок ed

,

ок

где U н - напряжение на металлическом электроде относительно подложки в режиме накопления; A э л - площадь электрода; C о' к удельная ёмкость плёнки окисла; e - заряд электрона; ε0 - диэлектрическая постоянная; εок - диэлектрическая проницаемость окисла; dок толщина плёнки окисла. Повышая напряжение накопления Uн , можно увеличить максимальное число накапливаемых зарядов, а следовательно, и динамический диапазон работы ФПЗС. Однако напряжение можно увеличивать лишь до некоторого предела, при котором ещё не наступает пробой плёнки окисла. Таким образом, предельный заряд, который может быть накоплен в ячейке ФПЗС, определяется выражением N

m ax m ax

≤ A эл ε 0 ε ок E

m ax

/ e ,

где Emax - предельно допустимое значение напряжённости электрического поля в плёнке окисла. При использовании в качестве подложки полупроводника ртипа полярность напряжения накопления следует изменить на противоположную. При этом в образовании сигнальных зарядов будут участвовать электроны, а не дырки. Если на фоточувствительную поверхность ФПЗС спроецировать изображение, то в многоэлементной структуре за время накопления Тн будет сформирован зарядовый рельеф Q(xi,yj), адекватный пространственному распределению освещённости, xi + d /2 y j + d ′/ 2

Q ( xi , y j ) = k

∫

∫

E ( x , y )dxdy ,

(1)

x ii − d / 2 y j − d ′ / 2

70

где xi, yj - координата центра изображения i-го столбца и j-й строки матрицы; d и d' - соответственно размеры элемента вдоль направления строк и столбцов матрицы; k - коэффициент пропорциональности, который при фиксированном времени накопления Tн и заданном спектральном составе оптического излучения можно рассматривать как интегральную чувствительность элементов ФПЗС. Выражение (1) справедливо, если в первом приближении распределение чувствительности по площадке накопительного элемента считать постоянным. Следует помнить, что ФПЗС - приёмник с накоплением энергии, поэтому сигнальный заряд, накапливаемый в ячейке, пропорционален экспозиции оптического излучения Tн

Qc ~ Hc = ∫ E (t )dt , 0

где Hс - экспозиция оптического излучения, лк⋅с; Tн - время экспонирования, с. Очевидно, что при постоянной во времени освещённости E(t)=E значение накапливаемого заряда, соответствующего полезному сигналу, пропорционально времени накопления и уровню освещённости: Qc = ETн . Однако указанная линейная зависимость остаётся справедливой, пока ФПЗС не достигает уровня накопления, близкого к режиму насыщения Qc ≤ (0,7 ÷ 0,8)Qнас (рис. 38). Чтобы сохранить структуру зарядового рельефа в процессе последующего переноса, необходимо на этапе накопления потенциальные ямы формировать не под каждым электродом, а только под одним или под двумя электродами каждой накопительной ячейки, как показано на рис. 39. Q

Q

c

Q

E

c

Q

нас

E

1

2

E

нас

T

3

E 3< E 2< E

н1

T

T

1

T

н2

н3

н3


н2


н1

t

t T

н ас1

T

н ас2

T

н ас3

E

н ас1

E

н ас2

E

нас3

Рис. 38. Зависимость величины накопленного заряда от времени накопления при различной освещенности и от освещенности при различном времени накопления 71

Таким образом, потенциальные ямы должны быть разделены потенциальными барьерами, препятствующими “перемешиванию” зарядов как в процессе накопления, так и в процессе переноса. При этом одну накопительную ячейку образуют три электрода, подключённые к различным управляющим шинам Ф1, Ф2 и Ф3. Ф1 Ф2 Ф3

Ме SiO 2 0

x

ϕп

Si ϕ

Потенциальная яма

ϕ п - потенциал на подложке

Рис. 39. Формирование потенциальных ям для переноса зарядов За счёт явления тепловой генерации носителей в течение времени Tн в каждой ячейке накапливается также определённый темновой заряд Qт , который складывается с сигнальным зарядом Qc . Среднее значение темнового заряда, накапливаемого в ячейке, определяется выражением Q Т = i T A э л Tн ,

где iТ - средняя плотность темнового тока накопления заряда, характерная для данного полупроводникового материала при рабочей температуре кристалла; A э л - площадь электрода, под которым осуществляется накопление. Вследствие неоднородности полупроводникового материала значение iТ не одинаково во всех точках поверхности кристалла, а является случайной функцией пространственных координат x и y. Поэтому накапливаемые за время Tн темновые заряды будут различны в различных точках ФПЗС, и, следовательно, зарядовый рельеф Q (xi,yj) , формируемый на этапе накопления, определяется не только рельефом освещённости E (x,y) , но и случайным рельефом плотности темновых токов. В конечном итоге это приводит к искажениям полезного сигнала, формируемого ФПЗС. Величина искажений зависит от соотношения сигнального и темнового зарядов. Среднее квадратическое отклонение средних значений темно72

вых зарядов, накапливаемых в различных ячейках ФПЗС за фиксированное время Tн, представляет собой количественную характеристику так называемого «геометрического» шума σ

Г

= Q

Т

H

Г

,

где QТ - среднее по кристаллу значение темнового заряда; HГ - коэффициент относительного разброса темновых токов по кристаллу ФПЗС (значение HГ может достигать 10 - 15 %). Радикальным способом ослабления эффекта тепловой генерации, а следовательно, и уменьшения связанных с этим шумов является охлаждение кристалла. Зависимость темнового тока от температуры может быть аппроксимирована следующим выражением: iТ ~ e x p [ − Δ E з / k T ] ,

(2)

где ΔE з - ширина запрещённой зоны полупроводникового материала. Из выражения (2) следует, что в наибольшей степени эффект тепловой генерации проявляется в фотоприёмниках, работающих в инфракрасной области спектра, поскольку в этом случае приходится использовать полупроводниковые материалы с малой величиной ΔEз. Обозначим через N r* (i ) случайное число темновых зарядов, накопленных в i-том элементе при однократном цикле накопления; N Т (i ) - среднее значение числа темновых зарядов в i-том элементе, полученное в результате усреднения по множеству реализаций. Тогда значение ΔN Т (i ) = N *Т (i ) − N Т (i ) будет представлять собой случайную флуктуацию числа зарядов в i-том элементе относительно среднего значения N Т (i ) . В свою очередь, среднее квадратическое значение флуктуаций ΔN Т (i ) характеризует остаточный тепловой шум в i-том элементе ФПЗС σ Т (i). Флуктуации числа зарядов подчиняются закону Пуассона. Однако, поскольку число накапливаемых зарядов обычно достаточно велико [ N Т (i) >> 100 ], распределение Пуассона можно аппроксимировать нормальным законом распределения с дисперсией, равной среднему значению. Тогда σ Т (i ) = N Т (i ) = QТ (i ) / e,

где e - заряд электрона. Вычисление и запоминание массива значений N Т (i ) , а также последующее вычитание этих значений из сигнала в i-том элементе является весьма эффективным методом алгоритмической коррекции «геометрического» шума. Другим источником шумов могут являться флуктуации зарядов, обусловленные фоновой засветкой 73

σ Ф (i ) =

N Ф (i )

, где N Ф (i ) - среднее число фоновых зарядов, накапливаемых в элементах. Таким образом, при неравномерном фоне флуктуации фоновых составляющих в различных элементах будут различны и пропорциональны корню квадратному от величины фоновой составляющей в соответствующих точках в плоскости анализа изображения. Влияние перечисленных факторов часто значительно превышает влияние других источников шума в ФПЗС. В более общем случае приходится учитывать также флуктуации сигнальных составляющих σ С (i) = N C (i ),

где N C (i ) - среднее число сигнальных зарядов от объекта наблюдения в i-том элементе. Таким образом, и сам объект наблюдения может быть дополнительным источником шумов. Совокупность всех шумов, действующих в ФПЗС, может быть измерена средним квадратическим числом шумовых электронов 2 . σ Ш = σ Г2 + σ Т2 + σФ2 + σ С2 + σ П2 + σ ВУ

В последнем выражении под квадратным корнем присутствуют ещё два слагаемых: σ П2 - дисперсия шума переноса зарядов в ПЗС-структуре; 2 σ ВУ - дисперсия шума, возникающего в выходном устройстве при детектировании зарядов и усилении видеосигнала. Сведения об этих составляющих можно найти, например, в литературе, приведённой в конце настоящего описания. Там же содержится более подробная информация о рассмотренных выше физических процессах. Описание лабораторной установки Схема установки приведена на рис. 40. Изображение щелевой диафрагмы 1, создаваемое источником сигнала 5, с помощью оптической системы 2, 3, 4 проецируется на светочувствительную площадку линейного ФПЗС фотоприёмного блока 7. На фоточувствительной площадке наблюдается вертикальный штрих, который может перемещаться по всей длине площадки с помощью микрометрической подвижки 9. Для создания фона используется источник фона 6, создающий рассеянное облучение фотоприёмника. 74

5

2 1

8

4

7 10

3 6 9 11

Рис. 40. Схема лабораторной установки В фотоприёмном блоке оптический сигнал преобразуется в последовательность видеоимпульсов, которые в дальнейшем усиливаются и квантуются 10-ти-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). С помощью блока сопряжения 10 цифровые коды видеоимпульсов от элементов ФПЗС записываются в оперативную память персонального компьютера 11, где обрабатываются специальной программой. Все узлы лабораторной установки (кроме персонального компьютера) смонтированы на жёстком основании 8. Порядок выполнения работы Все последующие действия следует начинать не раньше, чем через 25...30 минут после включения компьютера, поскольку электропитание установки осуществляется от компьютера, а для стабилизации температурного режима установки требуется время. 1. Включите источник сигнала 5, выключите источник фона 6 (с помощью ручек на блоках питания источников 5 и 6). 2. Войдите в режим «Настройка», выбрав первый пункт главного меню клавишами курсора. В режиме «Настройка» программой осуществляется непрерывный опрос линейки ФПЗС и воспроизведение на экране видеосигнала после его квантования на 1024 уровня АЦП в фотоприёмном блоке 7. 3. Увеличивая уровень оптического сигнала путём регулировки тока через источник 5, добейтесь режима насыщения ФПЗС. Режим насыщения характеризуется тем, что дальнейшее увеличение оптического сигнала не приводит к увеличению размаха видеосигнала. 4. С помощью клавиш [+] и [-], управляющих усилением видеосигнала, а также с помощью клавиш [Ç] и [È], управляющих уровнем «привязки» (смещением) видеосигнала, добейтесь, чтобы для передачи видеосигнала от изображения щелевой диафрагмы использовалась возможно большая часть динамического диапазона АЦП. 75

При этом максимальное значение сигнала должно, не достигая уровня 1023, максимально приближаться к нему. Нижний уровень видеосигнала должен приближаться к нулевому значению, но не достигать его. Размах видеосигнала должен составлять ΔU = Umax - Umin ≥ 600. При выполнении указанных условий квантование видеосигнала в АЦП вносит минимальную погрешность. 5. Зафиксируйте полученное значение ΔU, так как оно будет использоваться при обработке результатов эксперимента. 6. Уменьшите величину оптического сигнала до величины, исключающей режим насыщения, но сохраняя максимально возможный размах видеосигнала, с помощью ручки на блоке питания источника 5. 7. Выключите источник 5, формирующий изображение щелевой диафрагмы. 8. При необходимости с помощью клавиши [Ç] увеличьте уровень «привязки» (смещение) видеосигнала таким образом, чтобы не возникало ограничения сигнала снизу. Не изменяйте после этого коэффициент усиления с помощью клавиш [+] и [-] ! 9. Войдите в главное меню и выберите основной режим работы. 10. На экране Вы наблюдаете первую реализацию видеосигнала, полученного при однократном опросе линейки ФПЗС. В верхней части экрана воспроизводится полная строка, в левой нижней части её фрагмент в более крупном масштабе по оси абсцисс. Зелёные цифры указывают номера выбранных элементов, белые - значения сигнала, выраженные в уровнях квантования (0 ÷ 1023). Рекомендуем просмотреть полученную реализацию, используя клавиши [Å] и [Æ]. При этом на верхней «осциллограмме» выбранный фрагмент подсвечивается светло-зелёным цветом. 11. Несколько раз нажав клавишу [F9] (или удерживая её некоторое время в нажатом состоянии), получите 20...25 реализаций сигнала. Количество реализаций высвечивается в правом верхнем углу экрана. Завершив ввод последней реализации, нажмите [F8]. 12. Выполните инструкцию, воспроизведенную на экране и зафиксируйте минимальное и максимальное значения сигнала. Среднее квадратическое значение составляющей геометрического шума, выраженное в относительных единицах, можно рассчитать по формуле: σ Г′ =

U max − U min . 6ΔU

Среднее квадратическое значение составляющей геометрического шума в абсолютных единицах, например, в числе носителей заряда, может быть легко рассчитано, если известно значение Nmax для данного типа ФПЗС: σ Г = σ Г′ ⋅ N max . 13. Выйдите в главное меню. Следуя инструкции, частично повторите ранее проделанные действия (см. пп. 9 - 11). 76

14. Зафиксируйте максимальное и минимальное значения флуктуаций в ячейках. Напомним, что средние квадратические значения флуктуаций представляют собой случайную составляющую шума в ячейках за вычетом аддитивной составляющей геометрического шума. Таким образом, полученные значения флуктуаций характеризуют остаточный (после алгоритмической коррекции) тепловой шум в каждом i-том элементе ФПЗС σ Т (i). 15. Просмотрев массив, оцените среднее значение этого шума по кристаллу σ Т (усреднение можно произвести в пределах произвольно выбранного фрагмента). Выразите σ Т в относительных единицах с учетом реального динамического диапазона сигнала ΔU . 16. Выйдите в главное меню и снова войдите в режим настройки. 17. С помощью рукоятки на блоке питания включите источник 6, создающий фоновую засветку. Отрегулируйте уровень фона (с помощью реостата или используя светофильтры), а также уровень «привязки» (управляя смещением с помощью клавиш [Ç] и [È]) таким образом, чтобы на экране наблюдался видеосигнал от неравномерной фоновой засветки. Рекомендуем добиться, чтобы сигнал от фона составлял не менее 25...30 % ΔU , но не ограничивался. 18. Выйдите в главное меню и вновь повторите действия по пп. 9 - 15. При этом обратите внимание (и зафиксируйте для отчёта), в каких участках строки имеют место максимальные значения случайных флуктуаций сигнала. Следует зарисовать примерный вид видеосигнала при наличии фоновой засветки с указанием номеров элементов, в которых зарегистрированы максимальные значения флуктуаций. 19. Вновь выйдите в главное меню и выберите режим «Настройка». Выключите источник фона 6 и включите источник сигнала 5. Выполните п. 4 настоящей инструкции. 20. С помощью главного меню выберите режим «Приложение». Этот режим служит для иллюстрации возможности использования ФПЗС в качестве позиционно-чувствительного фотоприёмника. В верхней части экрана Вы наблюдаете стилизованное изображение линейки ФПЗС и изображение щели на её фоточувствительной площадке. 21. Используя клавиши [Å] и [Æ], рекомендуем просмотреть участок видеосигнала, снимаемого с элементов в окрестностях изображения щели. 22. Несколько раз нажав клавишу [F9] (или удерживая её некоторое время в нажатом состоянии), получите 20…25 реализаций оценок координат изображения. В этом режиме количество реализаций на экране не индицируется. Завершив ввод последней реализации, нажмите [F8]. Зафиксируйте усредненное значение измеренной 77

координаты и среднюю квадратическую погрешность измерения. (Очевидно, что полученные значения выражены в числе пространственных периодов элементов ФПЗС, начиная от левого края линейки). 23. Выйдите в главное меню. С помощью микрометрической подвижки 9 немного (на несколько сотен микрометров) переместите фотоприёмный блок 7 относительно изображения щели. Затем вновь войдите в режим «Приложение» и повторите действия по пп. 21 - 22. На этом заканчивается обязательная часть работы. Рекомендуем ознакомиться с перечнем вопросов, приведенном в конце описания, и при необходимости провести дополнительные исследования по своему усмотрению с целью облегчения Вашей подготовки к защите. Содержание отчета Отчёт должен содержать следующие разделы. 1. Краткий теоретический раздел. Здесь могут быть помещены сведения о физических процессах, протекающих в ПЗС-структуре при формировании зарядового рельефа, о причинах, приводящих к появлению шумов и искажений видеосигнала, о возможных методах их снижения, алгоритмической коррекции и т.д. Конкретное содержание и объем этого раздела определяется самим студентом, однако следует иметь в виду, что при защите лабораторной работы разрешается пользоваться только собственным отчётом, а не текстом настоящего описания или какими-либо другими источниками. 2. Обработанные результаты экспериментальных исследований по основному разделу работы, включая все промежуточные данные и вычисления с их расшифровкой. При этом должны быть указаны условия, при которых получены конкретные результаты (отсутствие или наличие фоновой засветки; используемый динамический диапазон сигнала, выраженный в числе уровней квантования; число реализаций, по которым проводилась статистическая обработка и др.). Здесь же приводятся иллюстрации, сделанные в процессе выполнения п. 17. 3. Результаты, полученные при выполнении пп. 20 - 23 (режим «Приложение»). Вопросы для подготовки 1. Поясните физические процессы, протекающие в структуре ФПЗС в режимах накопления и переноса зарядов. 2. Каковы преимущества и недостатки фотоприёмников с накоплением энергии сигнала по сравнению с фотоприёмниками «мгновенного» действия? В каких единицах может измеряться интеграль78

ная чувствительность ФПЗС? 3. Перечислите основные виды шумов ФПЗС. Какие составляющие шумов поддаются алгоритмической коррекции? Что такое «геометрический» шум? 4. Какие составляющие шумов и почему имеют преобладающее значение в приборах с переносом заряда, работающих в инфракрасной области спектра? Какие методы ослабления этого вида шумов Вам известны? 5. Поясните методику измерения шумов ФПЗС, которая использована в данной работе. Литература Источники и приёмники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб.: Политехника, 1991 (стр. 166 193).

79

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ" Цели работы − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения" (раздел "Приемники оптического излучения", тема "Фотоумножители"); − дать практические навыки по экспериментальному определению спектральной характеристики чувствительности и зависимости анодной чувствительности фотоумножителя от напряжения питания; − ознакомиться с устройством и работой монохроматора и измерительного усилителя. Краткие теоретические сведения Фотоумножитель - электровакуумный фотоэлектронный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, вторично-электронного умножителя (ВЭУ) и анода. ВЭУ - электровакуумный прибор, в котором поток электронов умножается посредством вторичной электронной эмиссии. Это происходит на динодах - вторично-эмиссионных электродах, действие и расположение которых относительно других электродов таковы, что число вторичных электронов, эмиттированных с их поверхности, превышает число падающих на их поверхность первичных электронов. Схематичное устройство фотоумножителя представлено на рис. 41. В стеклянном корпусе К, из которого откачан воздух, располагаются электронно-оптическая система ЭОС, диафрагма Д, диноды Э1, Э2, Э3 и анод А. На переднюю стенку корпуса нанесен фотокатод в виде тонкой пленки, работающий "на просвет" (рис. 41) или "на отражение". Между анодом и фотокатодом приложено напряжение питания 1…3,5 кВ. Падающий на фотокатод поток излучения Ф вызывает фотоэлектронную эмиссию. Выбитый из фотокатода фотоэлектрон е- с помощью ЭОС направляется через отверстие в диафрагме Д на первый динод Э1. На диноде происходит вторичная электрон80

ная эмиссия: первичный электрон выбивает из динода несколько вторичных. К ЭОС Э2 е-

А

Д

к усилителю

Ф ФК Э1

Э3

Rн

R0 делитель напряжения -

+

Рис. 41. Схема устройства фотоумножителя Благодаря делителю напряжения, обеспечивающему повышение потенциала на каждом последующем диноде, вторичные электроны направляются последовательно на следующие диноды, причем их количество возрастает после каждого динода. Увеличение числа электронов оценивается коэффициентом вторично-электронной эмиссии: σ = n2 / n1 , где n2 - число вторичных электронов после динода; n1 - число первичных электронов на диноде. Поток электронов собирается на аноде А. На нагрузочном резисторе Rн возникает напряжение фотосигнала. В качестве фотокатодов используются сложные соединения. Наиболее распространены серебряно-кислородно-цезиевые (Ag-OCs), сурьмяно-цезиевые (Sb-Cs) и многощелочные (Sb-Na-K-Cs) фотокатоды. Фотокатоды чувствительны в видимой и ближней инфракрасной областях. В современных фотоумножителях от ВЭУ с отдельными динодами переходят к ВЭУ в виде микроканальной пластины (совокупности распределенных вторично-электронных умножителей, спаянных в единый блок), представляющей собой пластину из специального стекла с микроскопическими каналами, внутренние поверхности которых вследствие особой термообработки имеют высокий коэффи81

циент вторично-электронной эмиссии. Поток фотоэлектронов направляется в каналы, а после усиления - на анод. Кроме общих параметров и характеристик электровакуумных фотоэлектронных приборов (интегральной чувствительности фотокатода, спектральной характеристики чувствительности фотокатода и т.д.), фотоумножитель оценивается также специфическими параметрами и характеристиками. Коэффициент усиления фотоумножителя по току М - отношение анодного фототока фотоумножителя Iфа к фототоку фотоумножителя Iф (в цепи фотокатода): M = Iфа / Iф . При одинаковых коэффициентах вторично-электронной эмиссии для всех динодов: σ1 = σ2 =…= σ получим: М = σm , где m - число каскадов усиления (динодов). Световая анодная чувствительность фотоумножителя Sva отношение анодного фототока фотоумножителя к падающему на фотокатод световому потоку: Sva = Iфа / Фv . Анодная характеристика фотоумножителя Iфа(Uа-пд) - зависимость анодного фототока фотоумножителя от напряжения питания между анодом и последним динодом (рис. 42). Iфа Ф2 Ф1

Uа-пд

Рис. 42. Анодная характеристика фотоумножителя: Ф1 < Ф2 Сведения о спектральной чувствительности и спектральной характеристике чувствительности ПОИ приведены в описании 82

лабораторной работы "Определение спектральной характеристики чувствительности фотодиодов". Относительная спектральная характеристика чувствительности ПОИ на внешнем фотоэффекте - электровакуумного фотоэлектронного прибора - зависит от материала фотокатода и, в отличие от абсолютной, практически одинакова для различных экземпляров приборов одной марки. Электровакуумные фотоэлектронные приборы являются типичными селективными ПОИ (имеющими различную чувствительность к излучению различных длин волн). Селективность электровакуумных фотоэлектронных приборов объясняется селективностью процессов, происходящих в фотокатоде при внешнем фотоэффекте. Наибольшее распространение получили фотокатоды из полупроводниковых материалов. У таких фотокатодов зависимость квантового выхода (отношения числа фотоэлектронов к числу падающих квантов) от частоты излучения определяется, главным образом, спектральным распределением коэффициента фотоэлектрического поглощения, который возрастает при увеличении частоты фотонов. Характер этого распределения обусловлен структурой энергетических зон полупроводника и преобладающим типом оптических электронных переходов. В частном случае, например, распределение может иметь вид: αф(ν) ≈(hν - hνгр)3/2 , где ν - частота излучения; h - постоянная Планка; νгр - граничная частота фотоэффекта. Для фотоумножителя характерны дробовой, тепловой и радиационный шумы. Фотоумножители широко применяются в спектрометрии, для регистрации слабых оптических сигналов и коротких световых импульсов, в спектрозональной аппаратуре. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 43) включает в себя следующее оборудование: блок питания осветителя 1, осветитель 2 с лампой накаливания 3, объективом 4, двигателем 5 и модулирующим диском 6, монохроматор 7 (ДМР-4), эталонный ПОИ 8 (фотодиод ФД-24К), высоковольтный блок питания фотоумножителя 9, переходную оправку 10, исследуемый фотоумножитель 11, измерительный усилитель 12, цифровой вольтметр 13. 83

1 13 12 10 11 9

8

7

6

5

4

2

3

Рис. 43. Схема лабораторной установки Нить лампы 3 при помощи объектива 4 проектируется на входную щель монохроматора 7. Излучение модулируется модулирующим диском 6, закрепленным на оси двигателя 5. Питание на лампу и двигатель модулятора поступает от блока питания 1. На выходную щель монохроматора устанавливается эталонный ПОИ 8 или через переходную оправку 10 исследуемый фотоумножитель 11, подключенный к высоковольтному блоку питания 9. ПОИ подключаются к измерительному усилителю 12, с выходом которого соединен цифровой вольтметр 13. Порядок выполнения работы Подготовка к измерениям. Собрать установку по схеме, приведенной на рис. 43. После проверки схемы преподавателем включить приборы в сеть. Проверить заполнение входной щели монохроматора излучением лампы. 1. Измерение спектрального распределения потока излучения на выходной щели монохроматора. 1.1. Установить на выходную щель монохроматора эталонный фотодиод и подключить его к измерительному усилителю. 1.2. Установить размеры входной и выходной щелей монохроматора одинаковыми в пределах 0,1…0,5 мм, а средней щели - в 2 раза больше.

84

1.3. Установить коэффициент усиления измерительного усилителя и пределы измерения цифрового вольтметра в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, отмеченными на лабораторной установке.

Длина Отсчет по волны, барабану, мкм дел. 0,500 557 0,510 562 0,520 565 0,530 569 0,540 573 0,550 575 0,560 578 0,570 580 0,580 582 0,590 585

Длина волны, мкм 0,600 0,620 0,640 0,660 0,680 0,700 0,720 0,740 0,760 0,780

Отсчет по барабану, дел. 587 591 596 599 603 606 609 612 615 617

Длина волны, мкм 0,800 0,840 0,880 0,920 0,960 1,000 1,040 1,080 1,120

Таблица 13. Отсчет по барабану, дел. 620 625 629 633 636 640 643 646 649

1.4. Измерить напряжение фотосигнала, снимаемого с ПОИ и усиленного измерительным усилителем, на различных длинах волн, устанавливая по барабану монохроматора в соответствии с градуировочной таблицей 13 длины волн от 500 до 1000 нм с интервалом ~50 нм. Результаты заносить в табл. 14. Измерения повторить 5 раз. Таблица 14. Длина волны λ, мкм 0,5 ... 1,0

Uэт.1

Сигнал усилителя, В ... Uэт.5 Uэт.ср Uэт.отн

Sλ.отн.эт

dλ / dl , нм/мм

Uэт.отн dl ________ Sλ.отн.эт dλ

ϕλ

2. Определение спектральной характеристики анодной чувствительности фотоумножителя. 2.1. Уменьшить размеры входной, выходной и средней щелей монохроматора одинаковыми в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, отмеченными на лабораторной установке. 85

2.2. Установить исследуемый фотоумножитель с переходной оправкой на выходную щель, подключить к усилителю, включить высокое напряжение на блоке питания фотоумножителя, подать на фотоумножитель напряжение питания 600…1200 В и установить коэффициент усиления измерительного усилителя в соответствии с указаниями лаборанта или значениями, отмеченными на лабораторной установке. 2.3. Измерить напряжение фотосигнала, снимаемого с фотоумножителя и усиленного измерительным усилителем, при различных длинах волн, устанавливая по барабану монохроматора те же длины волн, что и в подпункте 1.4. Результаты заносить в табл. 15. Измерения повторить 5 раз.

Длина волны λ, мкм 0,5 ... 1,0

U1

Сигнал усилителя, В U5 Uср Uотн ...

Uотн/ϕλ

Таблица 15. Sλ.а.отн

3. Определение зависимости анодной спектральной чувствительности фотоумножителя от напряжения питания. 3.1. Установить по барабану монохроматора длину волны, соответствующую максимальному напряжению фотосигнала, полученному с фотоумножителя и занесенному в табл. 15. 3.2. Измерить напряжение фотосигнала, снимаемого с фотоумножителя и усиленного измерительным усилителем, при различных напряжениях питания, устанавливая переключателем на высоковольтном блоке питания фотоумножителя напряжения от 0,6 до 1,2 кВ с интервалом 0,1 кВ. Результаты заносить в табл. 16. Измерения повторить 5 раз. Таблица 16. НапряжеСигнал усилителя, В Sλ.а.отн ние U5 Uср U1 ... питания, В 600 ... 1200 86

4. Расчет относительной спектральной характеристики анодной чувствительности фотоумножителя. 4.1. Рассчитать среднее значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 14 и записать результаты вычислений в таблицу. 4.2. Рассчитать относительное значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 14 Uэт.отн(λ) = Uэт.ср(λ) / Uэт.ср.max и записать результаты вычислений в таблицу. 4.3. Занести в табл. 14 значения относительной анодной спектральной чувствительности эталонного ПОИ для соответствующих длин волн, воспользовавшись графиком на рис. 44. Sλ.отн.эт

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

λ, мкм 0,4

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 44. Относительная спектральная характеристика ФД-24К 4.4. Занести в табл. 14 значения обратной линейной дисперсии монохроматора ДМР-4 для соответствующих длин волн, воспользовавшись графиком на рис. 45. dλ/dl , нм/мм 30 20 10 0

λ, мкм 0,4

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 45. Обратная линейная дисперсия ДМР-4 87

4.5. Рассчитать для каждой длины волны относительное значение спектральной плотности потока излучения (СППИ), выходящего из выходной щели монохроматора и падающего на фотокатод фотоумножителя. СППИ определяется спектром излучения источника и спектральным коэффициентом пропускания монохроматора с учетом относительной спектральной характеристики чувствительности эталонного ПОИ Sλ.отн.эт(λ) и обратной линейной дисперсии монохроматора dλ/dl: ϕλ(λ) = [Uэт.отн(λ) dl / Sλ.отн.эт(λ) dλ] / (Uэт.отн dl / Sλ.отн.эт dλ)max . Результаты вычислений записать в табл. 14. 4.6. Рассчитать среднее значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 15 и записать результаты вычислений в таблицу. 4.7. Рассчитать относительное значение напряжения фотосигнала для каждой длины волны в табл. 15 и записать результаты вычислений в таблицу. 4.8. Рассчитать для каждой длины волны относительную анодную спектральную чувствительность исследуемого фотоумножителя: Sλ.а.отн(λ) = [Uотн(λ)/ϕλ(λ)] / (Uотн/ϕλ)max . Результаты вычислений записать в табл. 15. 5. Расчет относительной зависимости анодной спектральной чувствительности фотоумножителя от напряжения питания. 5.1. Рассчитать среднее значение напряжения фотосигнала для каждого значения напряжения питания фотоумножителя в табл. 16 и записать результаты вычислений в таблицу. 5.2. Рассчитать относительное значение анодной спектральной чувствительности фотоумножителя для каждого значения напряжения питания в табл. 16 Sλ.а.отн(Uа-к) = Uср(Uа-к) / Uср.max и записать результаты вычислений в таблицу. Содержание отчета 1. Теоретическая часть (краткие сведения о принципе действия, основных конструктивных особенностях, параметрах и характеристиках фотоумножителей). 2. Схема лабораторной установки и ее описание. 3. Таблицы с результатами измерений и вычислений. 88

4. Расчет погрешности измерений (обработка одной строки из любой таблицы). 5. Графики: 1) относительного спектрального распределения потока излучения на выходной щели монохроматора; 2) относительной спектральной характеристики чувствительности эталонного ПОИ; 3) относительной спектральной характеристики анодной чувствительности исследуемого фотоумножителя; 4) относительной зависимости анодной спектральной чувствительности фотоумножителя от напряжения питания. 6. Выводы по работе. Вопросы для подготовки 1. Сущность внешнего фотоэффекта и типы электровакуумных фотоэлектронных приборов. 2. Принцип действия фотоумножителя. 3. Параметры и характеристики фотоумножителя. 4. Спектральная чувствительность, спектральная характеристика чувствительности и их виды. 5. Факторы, определяющие селективность фотоумножителей. 6. Методика измерения спектральных характеристик чувствительности ПОИ. 7. Методика расчета спектральных характеристик чувствительности. Литература 1. Источники и приёмники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб.: Политехника, 1991. 2. ГОСТ 17333-80. Приборы фотоэлектронные. Методы измерения спектральной чувствительности фотокатодов.

89

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ" Цели работы − изучить принцип действия, основные параметры и характеристики электронно-оптического преобразователя (ЭОП); − измерить предел разрешения, электронно-оптическое увеличение и пороговую облученность ЭОП; − закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения", раздел "ЭОП". Краткие теоретические сведения Электронно-оптический преобразователь — это фотоэлектронный электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования спектрального состава излучения и (или) усиления яркости изображения. Простейший, однокамерный ЭОП содержит фотокатод, систему формирования электронного изображения и люминесцентный экран. Он состоит из стеклянного (металлостеклянного, металлокерамического) корпуса 1, из которого откачан воздух (рис. 46).

4

2

5

1

7

3

6

8

-

+

Рис. 46. Схема устройства ЭОП На одну стенку баллона нанесен полупрозрачный фотокатод 2, на противоположную - люминесцентный экран 3. Между фотокатодом и экраном приложено постоянное напряжение 10...15 кВ. Объектив 4 90

строит на фотокатоде невидимое (или видимое) оптическое изображение 5 рассматриваемого объекта 6. Под действием излучения возникает фотоэмиссия электронов с фотокатода (внешний фотоэффект). Число фотоэлектронов, испускаемое каждой точкой фотокатода, пропорционально облученности этой точки. С помощью системы формирования электронного изображения (фокусирующей системы ЭОП) 7 на люминесцентном экране строится электронное изображение 8. Благодаря люминесценции экрана из-за бомбардировки его фотоэлектронами электронное изображение 8 преобразуется в видимое (или увеличивается яркость изображения по сравнению с яркостью видимого объекта). Изображение на экране может рассматриваться глазом (непосредственно или через окуляр) либо передаваться на телевизионную передающую трубку. Фотокатоды ЭОП аналогичны фотокатодам фотоэлементов и фотоумножителей. Для люминесцентных экранов используют мелкозернистые люминофоры: желто-зеленого свечения ⎯ для работы с глазом, фиолетово-синего ⎯ для фотографирования или работы с ПОИ. Наиболее распространены люминофоры типа ФС-1, ФС-5, ЖЗ-2, К-67, К-40, К-72. В ЭОП используются различные системы формирования электронного изображения: плоская электростатическая система прямого переноса изображения, электростатическая фокусирующая система с оборачиванием изображения, электромагнитная фокусирующая система. В их состав входят электроды различного назначения: подфокусирующий, корректирующий, масштабирующий и др. Для большего усиления яркости изображения на экране по сравнению с яркостью объекта используются многокамерные ЭОП, состоящие из последовательно соединенных в едином вакуумном объеме нескольких однокамерных ЭОП. При этом люминесцентный экран предыдущего ЭОП и фотокатод последующего наносятся на противоположные стороны стеклянной пластинки толщиной 5...10 мкм. Для лучшего переноса видимого изображения с экрана предыдущего однокамерного ЭОП на фотокатод последующего экран и фотокатод могут наноситься на волоконно-оптические пластины, соединяющиеся между собой посредством оптического контакта. Однокамерный ЭОП с волоконно-оптическими пластинами на входе и выходе называется модульным, а ЭОП, состоящий из последовательно соединенных модульных ЭОП, ⎯ многомодульным. Усиления яркости можно достичь усилением электронных потоков в ЭОП. Для этого применяются однокамерные ЭОП с микроканальной пластиной, аналогичной используемым в ВЭУ фотоумножителей, или однокамерные ЭОП с усилением за счет использования 91

вторичной эмиссии тонкопленочных динодов, работающих на "прострел". Современные ЭОП могут иметь регулируемое увеличение изображения с помощью масштабирующего электрода, импульсное управление электронным изображением с помощью электроннооптического затвора, возможность сохранения неподвижности изображения движущегося объекта с помощью компенсирующих пластин, возможность перемещения изображения по люминесцентному экрану с помощью отклоняющих пластин. Схема питания ЭОП обычно состоит из высоковольтного блока и низковольтного источника питания (рис. 47). Постоянный ток аккумулятора 1 поступает на преобразователь 2 (дающий переменный ток), а с него ⎯ на повышающий трансформатор 3, выпрямитель 4, стабилизатор 5, делитель напряжения 6 и ограничитель тока 7. Ограничитель тока предохраняет преобразователь от пробоя при сильных засветках. Напряжение на выходе блока составляет 3...4,5 кВ при силе тока 10-5...10-4 А. Потребляемая мощность равна 2...5 Вт. ~

= 1

2

~ 3

U

= 4

6

7

5

Рис. 47. Схема питания ЭОП Кроме общих параметров и характеристик ПОИ на внешнем фотоэффекте (интегральной чувствительности фотокатода, спектральной характеристики чувствительности фотокатода, порога чувствительности и т.д.) ЭОП оценивается также специфическими параметрами и характеристиками. Электронно-оптическое увеличение Γэ ⎯ это отношение размера изображения объекта на выходной поверхности (люминесцентном экране или внешней поверхности волоконно-оптической пластины) к размеру изображения объекта на входной поверхности (внутренней поверхности фотокатода; на стекле; внешней поверхности волоконно-оптической пластины, на внутреннюю поверхность которой нанесен фотокатод). Электронно-оптическое увеличение лежит в пределах 0,5х...2х. Электронно-оптическое увеличение, меньшее 1х, дает выигрыш в яркости, но ухудшаются условия распознавания объекта. Предел разрешения Nпр ⎯ наибольшее число штрихов в одном миллиметре изображения штриховой миры на входе ЭОП, которые на 92

выходе различаются по четырем направлениям, при оптимальных для глаза условиях наблюдения. Штриховая мира ⎯ это пластинка с нанесенным на ней рисунком, состоящим из расположенных по определенной системе светлых штрихов на темном фоне. Рабочее разрешение Nр ⎯ предел разрешения при заданных освещенности и контрасте штриховой миры. Предел разрешения связан с качеством системы формирования электронного изображения, а также с зернистостью люминофора. Предел разрешения максимален в центре выходной поверхности и минимален на краю. У современных ЭОП он составляет 12...60 штрих/мм в центре и 3...6 штрих/мм на краю. Коэффициент преобразования потока излучения ЭОП (коэффициент преобразования) η ⎯ отношение светового потока на выходе ЭОП к потоку излучения, падающему на вход: η = Фv.экр / Фe.фк , лм/Вт. Коэффициент преобразования рассчитывается по формуле: η = ξUSI.инт.Фe.фк , лм/Вт , где ξ ⎯ световая отдача люминофора, лм/Вт; ξ = Фv.экр / Pэл; Pэл ⎯ мощность электронного пучка, Вт; Pэл = IфкU; Iфк ⎯ фототок, А; U ⎯ напряжение питания ЭОП, В; SI.инт.Фe.фк ⎯ интегральная токовая чувствительность фотокатода к потоку излучения, А/Вт. Коэффициент усиления яркости ЭОП (коэффициент яркости) ηL ⎯ отношение светимости на выходе ЭОП к освещенности на входе: ηL = Mv.экр / Ev.фк . С учетом закона Ламберта: ηL = πLv.экр / Ev.фк , где Lv.экр ⎯ яркость люминесцентного экрана, кд. Коэффициент яркости можно рассчитать по формуле: ηL = ξUSI.инт.Фe.фк / (683 Γэ2 κг) , где κг ⎯ к.п.д. глаза для излучения объекта. Коэффициент яркости оценивает работу ЭОП при визуальном наблюдении, так как глаз реагирует на яркость изображения. Коэффициент яркости однокамерных ЭОП колеблется от 10 до 50, многокамерных с микроканальной пластиной ⎯ от 104 до 105. Яркость темнового фона ЭОП L0 ⎯ яркость на выходе ЭОП при отсутствии облучения входа. Яркость темнового фона обусловлена термо- и автоэлектронной эмиссией, токами утечки и токами анионов, возникающими из-за наличия остатков газа в корпусе ЭОП. Уменьшить яркость темнового фона можно охлаждением фотокатода (уменьшается темновой ток) и улучшением вакуумирования. Наличие яркости темнового фона затрудняет наблюдение слабосветящихся объектов. Эквивалентная темновая освещенность ЭОП E0э ⎯ освещенность на входе ЭОП, эквивалентная яркости темнового фона: 93

E0э = πL0 / ηL , лк. Время послесвечения ЭОП Δt ⎯ интервал времени после прекращения освещения входа ЭОП, в течение которого яркость на выходе снизится до заданного значения. Оно определяет инерционные свойства ЭОП и составляет от 0,1 до 300 мс. Коэффициент контрастности Ск ⎯ величина, характеризующая снижение контраста изображения при прохождении его через ЭОП: Ск = 1 − (Lд − L0)/ (Lф − L0) = (Lф − Lд) / (Lф − L0) , где Lф ⎯ яркость освещенного участка на выходе; Lд ⎯ яркость неосвещенного участка на выходе. Контраст изображения kиз ⎯ отношение разности максимального и минимального значений яркости (освещенности) к их сумме. Коэффициент передачи контраста ЭОП ТN ⎯ отношение контраста изображения на выходе ЭОП к контрасту изображения на входе при фиксированной пространственной частоте синусоидального растра. Отношение сигнал - шум ЭОП ψL ⎯ приведенное ко входу отношение средней яркости на выходе ЭОП к среднему квадратическому значению (СКЗ) отклонения яркости на выходе от среднего значения, измеренного при заданных освещенности на входе и полосе частот. Амплитудно-частотная характеристика ЭОП (АЧХ) kм(fм) ⎯ зависимость коэффициента модуляции светового потока на выходе ЭОП от частоты синусоидально модулированного во времени светового потока, поступающего на вход. Пространственная частотно-контрастная характеристика ЭОП (ЧКХ ЭОП) ТN(ν) ⎯ зависимость коэффициента передачи контраста ЭОП от пространственной частоты испытательного синусоидального растра. ЭОП широко применяются в приборах ночного видения, для регистрации быстро протекающих процессов, для визуализации рентгеновского излучения, для фотографирования слабых звезд, для фотографирования в УФ и ИК областях спектра. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 48) состоит из коллиматора 1, содержащего конденсор 2, штриховую миру 3, расположенную в фокальной плоскости объектива 4, и полупроводниковые излучающие диоды (ПИД) подсветки миры: 5 ⎯ на просвет, 6 ⎯ на отражение. В приборе ночного видения 10 изображение штриховой миры 3 строится объективом 7 на фотокатоде ЭОП 8. Изображение миры на люминес94

центном экране ЭОП рассматривается с помощью окуляра 9. 2

1

5

3

6

4

7

8

9

10

Рис. 48. Схема лабораторной установки Электрическая схема питания ПИД и ЭОП (рис. 49) включает понижающий трансформатор 1, выпрямитель 2, подающий постоянное напряжение 27 В на блок питания ЭОП, который вырабатывает высокое постоянное напряжение 4 кВ. Блок питания ЭОП построен по схеме, приведенной на рис. 47. С трансформатора питание подается также через реостаты 4 и 5 и миллиамперметры 6 и 7 на ПИД подсветки. С помощью реостатов можно регулировать силу тока, протекающего через ПИД, а следовательно, и силу излучения ПИД. =27 В

~ ~220 В

1

=4 кВ

2

3

ЭОП

4

6

ПИД

5

7

ПИД

Рис. 49. Электрическая схема питания ПИД и ЭОП Порядок выполнения работы Подготовка к измерениям. Подать питание на электрическую схему установки тумблером "СЕТЬ". Подать питание на блок питания ЭОП тумблером "ЭОП". Установить минимальную силу тока в ПИД, установив рукоятки реостатов "П1" и "П2" в крайнее левое положение. Подать питание на ПИД тумблером "СВЕТОДИОДЫ". 1. Измерение предела разрешения ЭОП. 1.1. Установить оптимальную для наблюдателя яркость светлых полос миры, регулируя подсветку миры на просвет с помощью рукоятки "П1". Отфокусировать изображение миры, вращая 95

окуляр. 1.2. Наблюдая

изображение отдельных элементов миры (рис. 50), найти элемент миры с наибольшим порядковым номером, изображение штрихов которого во всех четырех направлениях различается на пределе. 3

Рис. 50. Элемент штриховой миры 1.3.Вычислить предел разрешения по формуле Nпр = R f'об / f'к , штрих/мм , где f'к ⎯ фокусное расстояние объектива коллиматора, мм; f'к = = 380 мм; f'об ⎯ фокусное расстояние объектива ЭОП; f'об = 120 мм; R ⎯ число штрихов на 1 мм в элементе миры, различаемых на пределе. Число штрихов на 1 мм в n-ном элементе миры: Rn = R1⋅0,94-(n - 1) , где R1 ⎯ число штрихов на 1 мм в 1-м элементе миры; R1 = = 10 штрих/мм. Погрешность величин f'об и f'к ⎯ 1 мм, а величины R ⎯ 0,005.

Рис. 51. Вид шкалы на экране 2. Измерение электронно-оптического увеличения. 2.1. Измерить размер изображения элемента миры на экране по вертикальным штрихам шкалы на экране, расстояние между 96

которыми равно 12 мм (рис. 51). 2.2. Установить оптимальную для наблюдателя яркость изображения миры на экране ЭОП, регулируя подсветку миры на просвет с помощью рукоятки "П1". Подсветку миры на отражение при этом выключить с помощью рукоятки "П2". 2.3. Вычислить электронно-оптическое увеличение по формуле: Γэ = d э / d , где dэ ⎯ размер изображения элемента миры на экране, мм; d ⎯ размер изображения элемента миры на фотокатоде ЭОП, мм. Размер изображения элемента миры на фотокатоде: d = dм f'об / f'к , мм, где dм ⎯ размер элемента миры, мм; dм = 10 мм. Погрешность величины dм ⎯ 1 мм, а величины dэ ⎯ 0,2 мм. 3. Измерение пороговой облученности для излучения ПИД. 3.1. Включить ПИД подсветки на просвет с помощью рукоятки "П1". Выключить ПИД подсветки на отражение с помощью рукоятки "П2". 3.2. Плавно уменьшать яркость ПИД с помощью рукоятки "П1", достигая предела видимости его изображения. Значение силы тока занести в табл. 17. Измерения повторить 10 раз. № п/п Iпид, А Iпид.ср, А

1

2

…

Таблица 17. 10

3.3. Вычислить пороговую облученность по формуле: Ee.п = πτ Le.пид sin2σА' , Вт/м2, где τ ⎯ коэффициент пропускания объективов коллиматора и ЭОП; τ = 0,7; Le.пид ⎯ энергетическая яркость ПИД, Вт/(м2⋅ ср); Le.пид = Kпид Iпид ; Kпид ⎯ коэффициент пропорциональности, Вт/(м2 ⋅ ср⋅ А); Kпид = 7⋅104 Вт/(м2⋅ ср⋅ А); Iпид ⎯ сила тока, протекающего через ПИД, А; σА' ⎯ задний апертурный угол объектива ЭОП; σА' = = 14°. Погрешность величины τ ⎯ 0,05, а величины σА' ⎯ 10'. Содержание отчета 1. Краткие теоретические сведения о принципе действия, основ-

ных параметрах и характеристиках ЭОП. 2. Схемы лабораторной установки и их описание. 3. Результаты измерений и вычислений. 4. Расчет погрешности измерений. 97

5. Выводы по работе.

Вопросы для подготовки 1. Принцип действия ЭОП. 2. Основные параметры и характеристики ЭОП. 3. Измерение параметров ЭОП. 4. Схема питания ЭОП.

Литература 1. Изнар А.Н. Электронно-оптические приборы. - М.: Машино-

строение, 1977. 2. Источники и приёмники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. - СПб.: Политехника, 1991. 3. ГОСТ 19803-86. Преобразователи электронно-оптические. Термины, определения и буквенные обозначения. 4. ГОСТ 21815.0 - 21815.17. Преобразователи электроннооптические. Методы измерения энергетических и оптических параметров.

98

Приложение 1. Краткое описание контрольноизмерительной аппаратуры Электроизмерительные приборы Устройство и использование простейших электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры и т. п.) достаточно элементарно и здесь не рассматривается. Согласно ГОСТ электроизмерительные приборы по степени точности делятся на 8 классов (0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0), определяющих наибольшую приведенную погрешность δmax для всего диапазона шкалы: δприв = (ах - а)⋅100% / аm ≤ δmax , где ах - показание прибора; а - истинное значение измеряемой величины; аm - конечное значение диапазона измерений прибора. Класс точности указывается на шкале прибора. У цифровых вольтметров погрешность указывается в инструкции по эксплуатации. Монохроматор МДР-3 Монохроматор МДР-3 предназначен для выделения монохроматического излучения в широком спектральном диапазоне. Основные технические характеристики: рабочий диапазон ................................................................ 200-2200 нм; относительное отверстие.................................................................... 1:8; рабочая область с решеткой 1200 штр./мм ................................................ 200-600 нм; 600 штр./мм .................................................. 400-1200 нм; 300 штр./мм .................................................. 800-2200 нм; линейная дисперсия с решеткой 1200 штр./мм .................................................. 1,3 нм/мм; 600 штр./мм ...................................................... 2,6 нм/мм; 300 штр./мм ...................................................... 5,2 нм/мм; рабочая высота ножей щели ......................................................... 15 мм; скорость сканирования спектра для решетки 600 штр./мм ...............................1,6; 8; 40; 192 нм/мин. Схема монохроматора приведена на рис. 52. Излучение от источника излучения поступает на входную щель монохроматора и зеркало З, которое направляет его на зеркальный 99

объектив ЗО, фокальная плоскость которого совпадает со входной щелью.

Р ПЗ С

КС

СМ ДР

ЗО З

ЭД

~

Рис. 52. Схема МДР-3 Параллельный пучок после объектива падает на отражательную дифракционную решетку ДР и поступает на второй зеркальный объектив ЗО, который с помощью поворотного зеркала ПЗ направляет излучение на одну из выходных щелей, расположенных в его фокальной плоскости. Развертка спектра осуществляется поворотом дифракционной решетки с помощью ручки Р или автоматически от электродвигателя ЭД. Поворот дифракционной решетки производится синусным механизмом СМ, обеспечивающим линейность шкалы длин волн и возможность применения механического цифрового счетчика С. Движение от электродвигателя передается на дифракционную решетку через электромеханическую коробку скоростей КС. Внешний вид прибора (основные органы управления монохроматора) показан на рис. 53: −счетчик длин волн 1 служит для определения участка спектра, выходящего из выходной щели 2 или 3; ширина щели устанавливается по шкале микрометрических винтов на щелях; −ручка 4 "ЗЕРКАЛО" служит для направления излучения на выходную щель 2 в положении "ВКЛ" или 3 в положении "ВЫКЛ"; −ручка 5 "ЗАТВОР" служит для введения излучения осветителя через входную щель 6 в оптическую схему монохроматора в положении "ОТКР"; −ручка 7 служит для поворота дифракционной решетки при установке переключателя 8 "РАЗВЕРТКА СПЕКТРА" в положение "5"; 100

6

2

3 1 13 5

4

12 7

9

8

10

11

Рис. 53. Внешний вид МДР-3 −переключатель 9 "ПРЯМОЙ ХОД - ОБРАТНЫЙ ХОД" служит для переключения направления развертки спектра при автоматической развертке; −тумблер 10 с лампой индикации 11 служит для включения электродвигателя при установке переключателя 8 в положения "1", "2", "3" или "4" при автоматической развертке; −тумблер 12 с лампой индикации 13 "СЕТЬ" служит для включения прибора в сеть. Спектрофотометр СФ-26 Спектрофотометр СФ-26 предназначен для измерения коэффициента пропускания жидких и твердых веществ в области спектра 186…1100 нм. Основные технические характеристики: спектральный диапазон 186-1100 нм; относительное отверстие 1:11; диапазон показаний шкалы коэффициентов пропускания 0-110%; 0-10%; 0-1%; диапазон измерений коэффициента пропускания 3-100%; основная погрешность измерений ±1% абс.; 0,2% абс.; среднее квадратическое отклонение измерений 101

основная погрешность градуировки шкалы длин волн в УФ области в видимой области в ИК области Структурная схема прибора представлена на рис. 54.

0,1 нм; 0,5 нм; 5 нм.

~ ПН

СТ

Ос

Д

М

Обр

ПОИ

К

У

А

ИП

Рис. 54. Структурная схема СФ-26 Стабилизатор тока СТ поддерживает постоянство тока, протекающего через источники излучения, расположенные в осветителе Ос. Излучение со сплошным спектром от осветителя поступает на монохроматор М, выделяющий монохроматическое излучение различных длин волн. Это излучение проходит затем через образец Обр и попадает на приемник оптического излучения ПОИ. Сигнал с ПОИ поступает на вход усилителя У. Нагрузкой ПОИ являются делитель Д, позволяющий изменять чувствительность усилителя, и компенсатор К, вводящий в измерительную систему компенсирующее напряжение для повышения точности отсчета, включенные в цепь обратной связи усилителя. Усиленный сигнал подается на аттенюатор А, служащий для изменения масштаба шкалы измерительного прибора ИП. Преобразователь напряжения ПН обеспечивает напряжения питания, необходимые для нормальной работы измерительной схемы. Внешний вид прибора и органы управления показаны на рис. 55: −тумблер 1 "СЕТЬ" с сигнальной лампой 2 служит для включения прибора; −сигнальная лампа 3 "Д" показывает включение в качестве исдля работы в областочника излучения дейтериевой лампы ти 186…350 нм; −сигнальная лампа 4 "Н" показывает включение в качестве источника излучения лампы накаливания для работы в облас102

ти 340…1100 нм; 5

8

17

12

7 16

3 15 2

1

4

6

9

10

11

13

14

Рис. 55. Внешний вид СФ-26 −рукоятка 5 служит для переключения источников излучения и имеет два положения: "Д" и "Н"; −рукоятка 6 служит для развертки спектра; −шкала длин волн 7 служит для определяемого выделяемого монохроматором участка спектра и имеет вид спирали Архимеда с оцифровкой от 185 до 1200 нм; −шкала измерительного прибора 8 служит для отсчета коэффициента пропускания в процентах или оптической плотности; −рукоятка 9 "КОМПЕНСАЦИЯ %" служит для включения напряжения, компенсирующего отсчеты 10, 20,…,100% при растяжке любого 10%-ного диапазона на всю шкалу, и обеспечивает работу в диапазонах 0…10, 10…20,…, 100…110%; −рукоятка 10 "ОТСЧЕТ" служит для выбора шкалы измерений: положение "×1" используется для измерений в диапазоне 0…100%; "×0,1" - для растяжки любого 10%-ного диапазона на всю шкалу измерительного прибора при включенном компенсаторе; "КАЛИБР" для установки 100%-ного отсчета при работе с сильно поглощающими образцами, когда потоки на ПОИ малы, и позволяет работать с более широкими щелями; "×0,01" - при измерении коэффициента пропускания, меньшего 10%, для растяжки любого 1% из диапазона 0…10% на

103

всю шкалу измерительного прибора (растяжка 1% из диапазона 2…10% производится при включенном компенсаторе); −рукоятка 11 "ЩЕЛЬ" со шкалой 12 служит для одновременного раскрытия входной и выходной щелей монохроматора в пределах 0,01…2 мм и определения величины открытия; −рукоятка 13 служит для перемещения каретки с образцами в кюветном отделении и имеет положения "1"…"4"; −рукоятка шторки 14 служит для перекрытия излучения, идущего на ПОИ, и имеет два положения: "ОТКР" и "ЗАКР"; −рукоятка 15 служит для установки нулевого отсчета на измерительном приборе при положении рукоятки шторки "ЗАКР"; −рукоятка 16 "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ" служит для изменения чувствительности усилителя при работе с сильно поглощающими образцами и имеет положения "1"…"4"; −рукоятка 17 служит для переключения ПОИ и имеет два положения: "Ф" и "К"; в положении "Ф" излучение направляется на сурьмяно-цезиевый фотоэлемент для работы в области 186…650 нм; в положении "К" - на кислородно-цезиевый фотоэлемент для работы в области 600…1100 нм.

104

Приложение 2. Оформление отчета по лабораторной работе Результаты измерений следует записывать в тетрадь лабораторных работ. Вычерчивание таблиц надо выполнять заранее, чтобы в лаборатории только производить измерения и записывать их в тетрадь. Каждый столбец таблицы должен иметь свое название, обозначение и единицы измеряемой величины ("Угол поворота α, радиан"). Содержание отчета определяется указаниями к соответствующей работе. В описании лабораторной установки необходимо указать название, диапазон измерения, цену деления (младший разряд цифрового индикатора) и погрешности используемых приборов. Таблицы с результатами всех прямых измерений следует чертить по линейке. При статистической обработке результатов наблюдений для каждой рассчитываемой величины сначала записывается алгебраическая формула, затем та же формула с подставленными в нее числовыми значениями и результат вычислений. τ 1

2

1- Т=500 К 2 - Т=1000 К

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

λ, мкм 1

3

5

7

9

11

13 15

Рис. 56. Пример выполнения графика При построении графиков следует помнить, что физические зависимости, как правило, не имеют разрывов, и поэтому графики их не должны быть ломаными линиями, соединяющими соседние экспериментальные точки. Перед построением графика необходимо выяснить теоретический характер зависимости (линейная, степенная, экспоненциальная и т.п.). Графики выполняются на миллиметровой бумаге. Масштабы по осям координат выбираются так, чтобы кривые занимали все поле чертежа. За единицу масштаба целесообразно выбирать 105

числа, кратные 5, 10, 50, 100 мм. На осях координат наносят метки, соответствующие цифровым значениям единиц измеряемых величин. Цифровые значения проставляются только для крупных единиц масштаба. Около оси координат необходимо написать обозначение величины, которая отложена на данной оси, и ее единицу. Экспериментальные точки, соответствующие результатам измерений, наносятся на чертеж в виде кружочков небольшого радиуса. Для каждой точки на графике необходимо указать доверительную погрешность результата измерения в виде отрезка (рис. 56). Если на графике имеется несколько кривых, то каждой кривой присваивается номер, а на свободном поле чертежа указывается обозначение, цифровое значение и единица параметра, соответствующего этому номеру.

106

Приложение 3. Обработка результатов наблюдений при прямых измерениях Пусть имеется группа результатов наблюдений Х1, Х2, ..., Хn , полученных при прямых измерениях. Необходимо выполнить следующие действия. 1. Проанализировать результаты наблюдений и при обнаружении систематических погрешностей (или если они известны) исключить их. Например, уровень шумов измерительного прибора надо вычесть из всех результатов наблюдений. 2. Вычислить среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимаемое за результат измерения: ~ 1 n X = ∑ Xi , n i =1

где n ⎯ число результатов наблюдений; Xi ⎯ i-ый результат наблюдения. 3. Вычислить оценку среднего квадратического отклонения (СКО) результата наблюдений [3, справочное приложение 1]: S=

1 n ~ (Xi − X )2 . ∑ n − 1 i =1

4. Вычислить оценку СКО результата измерения: ~ S( X ) =

n S 1 ~ ( Xi − X )2 = . ∑ n(n − 1) i =1 n

Ответ следует записать, оставив 1 значащую цифру (или 2 значащие цифры, если цифра старшего разряда меньше или равна 3). 5. Проверить гипотезу о том, что результаты наблюдений принадлежат нормальному распределению. Такая проверка проводится согласно [3] для числа результатов наблюдений n > 15. Поэтому будем априорно считать, что результаты наблюдений подчиняются нормальному распределению. 6. Определить наличие грубых погрешностей для уровня значимости q = 0,05 [1]. 6.1. Вычислить U=

~ X

(

~ ~ max X min − X , X max − X S

),

где ⎯ выборочное среднее (см. п. 2); S ⎯ выборочное СКО (см. п. 3); Xmin = min Xi (1 < i < n); Xmax = max Xi (1 < i
6.3. Результат наблюдений, определяющий наибольшее значение величины U, является результатом с грубой погрешностью для принятого уровня значимости q, если U > l(n,1-q). Выявленный результат наблюдений с грубой погрешностью исключают из выборки и повторяют п.п. 2...6. Эта процедура повторяется, пока все результаты наблюдений с грубыми погрешностями не будут исключены, то есть пока не будет U < l(n,1-q). Таблица 18. l(n;1-q) l(n;1-q) n n 3 28 2,929 1,414 4 1,710 29 2,944 5 30 2,958 1,917 6 2,067 31 2,972 7 2,182 32 2,985 8 2,273 33 2,998 9 2,349 34 3,010 10 2,414 35 3,022 11 2,470 36 3,033 12 2,519 37 3,044 13 2,563 38 3,055 14 2,602 39 3,065 15 2,638 40 3,074 16 2,670 41 3,084 17 2,701 42 3,094 18 2,728 43 3,103 19 2,754 44 3,112 20 2,779 45 3,120 21 2,801 46 3,129 22 2,823 47 3,137 23 2,843 48 3,145 24 2,862 49 3,152 25 2,880 50 3,160 26 2,897 51 3,167 27 2,913 52 3,175 7. Вычислить доверительные границы случайной погрешности результата измерения для доверительной вероятности α = 0,95: ~ ε = t ( n − 1; α ) S ( X ) , где t(n - 1;α) ⎯ коэффициент Стьюдента, определяемый по доверительной вероятности α и числу результатов наблюдений n 108

в табл. 19 [3, справочное приложение 2]. Таблица 19. α = 0,95 2,120 2,101 2,086 2,074 2,064 2,056 2,048 2,043 1,960

n-1 n-1 α = 0,95 3 3,182 16 4 2,776 18 5 2,571 20 6 2,447 22 7 2,365 24 8 2,306 26 9 2,262 28 10 2,228 30 12 2,179 ∞ 14 2,145 8. Вычислить доверительные границы неисключенной систематической погрешности (НСП) результата измерения для доверительной вероятности α = 0,95, принимая распределения составляющих НСП равномерными: θ = θ1 при m = 1, где m ⎯ число составляющих НСП; θ = K (α , m)

m

∑θ i =1

2 i

при m ≥ 2,

где θi ⎯ граница i-той составляющей НСП; K(0,95;m) = 1,1 [3]. Ответ следует записать, оставив 1 значащую цифру (или 2 значащие цифры, если цифра старшего разряда меньше или равна 3). В качестве составляющих НСП результата измерения могут быть НСП метода, средств измерений и НСП, вызванные другими источниками. Например, в качестве границ НСП принимают пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей средств измерений, если случайные составляющие погрешности пренебрежимо малы. Если измерения проводятся измерительным прибором с НСП θп, обусловленной его основной погрешностью и погрешностью округления θокр, то [2]: θп = Δд , где Δд ⎯ предел допускаемого значения погрешности прибора, указанный в его технических характеристиках, или: Δд ≈ 3σп , где σп ⎯ предел допускаемого СКО случайной составляющей основной погрешности прибора, указанный в его технических характери109

стиках, или: XNδ , 100

Δд =

где XN ⎯ нормирующее значение, равное конечному значению шкалы стрелочного прибора; δ ⎯ класс точности прибора; θокр =

Aд 12

,

где Ад ⎯ цена деления шкалы стрелочного прибора. 9. Вычислить доверительные границы погрешности результата измерения: ⎧ θ ⎪ε при S ( X~ ) < 0,8; ⎪ θ ⎪ Δ = ⎨θ при ~ > 8; S ( X ) ⎪ ⎪ θ ⎪ KS Σ при 0,8 < ~ < 8, S ( X ) ⎩

где K=

ε+θ θ2 ~ S X + ∑ i i =1 3

( )

m

;

θ i2 ~ SΣ = ∑ + S 2 ( X ) ; i =1 3 m

SΣ ⎯ оценка суммарной СКО результата измерения; K ⎯ коэффициент, зависящий от соотношения доверительных границ случайной погрешности и НСП. Ответ следует записать, оставив 1 значащую цифру (или 2 значащие цифры, если цифра старшего разряда меньше или равна 3). 10. Записать итог измерения в виде [3]: ~ X = X ± Δ , α = 0,95. ~ Значение X должно быть округлено так, чтобы последняя значащая цифра была в том же разряде, что и у значения Δ.

Пример Пусть имеются 4 группы результатов наблюдений I1, ..., I5 , полученных при прямых измерениях (табл. 20). 110

α, ° 0 5 10 15

I1, A 0 6 8 12

I2, A 0 5 9 11

I3, A 0 4 7 13

Таблица 20. I4, A I5, A 0 0 5 6 7 9 13 11

Измерения проводились стрелочным прибором с классом точности 1,5, диапазоном измерений 100 А и ценой деления 1 А. Обработаем результаты наблюдений третьей группы. 1. Результат измерения: ~ 1 I = (8 + 9 + 7 + 7 + 9) = 8,0 A . 5

2. Оценка СКО результата наблюдения: 1 (0 + 12 + 12 + 12 + 12 ) = 1,0 A . 4

S=

3. Оценка СКО результата измерения: ~ S(I ) =

1 (0 + 12 + 12 + 12 + 12 ) ≈ 0,447 A ≈ 0,4 А . 5⋅ 4

4. Грубые погрешности: U=

max( 7 − 8 , 9 − 8 ) 1 = = 1; 1 1

l(5;0,95) = 1,917; U
1 1 = 2,8⋅ ≈ 1,25 А . 5 5

6. Доверительные границы НСП результата измерения: Δд =

100 ⋅ 1,5 = 1,5 А ; 100

θп =Δд = 1,50 А ; 1 ≈ 0,289 А ; 12 1 θ = 1,1 1,52 + ≈ 1,68 А ≈ 1,7 А . 12

θокр =

7. Доверительные границы погрешности результата измерения: 111

θ 1,68 ≈ 3,76 A ; ~ = S ( I ) 0,447

0,8 < 3,76 < 8; Δ=

1,25 + 1,68 0,447 +

1⎛ 2 1 ⎞ ⎜ 1,5 + ⎟ 3⎝ 12 ⎠

1⎛ 2 1 ⎞ 2 ⎜ 1,5 + ⎟ + 0,447 ≈ 2,18 A ≈ 2,2 A . ⎝ ⎠ 3 12

8. Итог измерения: I = (8,0 ± 22,2) А; α = 0,95.

112

Приложение 4. Обработка результатов наблюдений при косвенных измерениях Пусть надо определить величину Z = f(Y1, Y2, ..., Yk), где Y1, Y2, ..., Yk ⎯ параметры величины Z, определяемые путем прямых измерений. В этом случае необходимо выполнить следующие действия [1]. 1. По результатам наблюдений, полученных при прямых измерениях каждого параметра Y1, Y2, ..., Yk , рассчитать результат измере~ ~ ния Yj , оценку СКО результата измерения S (Yj ) , доверительную границу случайной погрешности результата измерения ε Y , довериj

тельную границу НСП результата измерения θ Y для каждого параj

метра (j = 1, ..., k). ~ 2. Определить оценку результата косвенного измерения Z : ~ ~ ~ Z = f ( Y1 ,..., Yk ) . 3. Для каждого параметра Yj рассчитать доверительную границу погрешности результата прямого измерения Δ Y при доверительной j

вероятности 0,95: ⎧ ⎪ε Y при ⎪ ⎪ ⎪ = ⎨θ Y при ⎪ ⎪ ⎪ KS при ⎪⎩ Σ j

ΔY

j

j

θY ~ < 0,8; S (Y j ) j

θY ~ > 8; S (Y j ) j

0,8 <

θY ~ < 8. S (Y j ) j

4. Вычислить значения частных производных ~

∂f при найден∂Yj

ных величинах Yj . 5. Определить доверительную границу погрешности результата косвенного измерения при доверительной вероятности α = 0,95: 2

⎛ ∂f ⎞ 2 ⎟⎟ Δ Y . Δ Z = ∑ ⎜⎜ ∂ Y j =1 ⎝ j⎠ k

j

Ответ следует записать, оставив 1 значащую цифру (или 2 значащие цифры, если цифра старшего разряда меньше или равна 3). 6. Записать итог косвенного измерения в виде: ~ Z = Z ± Δ Z ; α = 0,95. ~

Значение Z должно быть округлено так, чтобы последняя зна113

чащая цифра была в том же разряде, что и у значения Δ Z . Пример Пусть по результатам наблюдений, приведенным в табл. 20, надо определить I* = I / Imax . Обработаем третью группу результатов наблюдений. 1. Результат измерения, оценку СКО результата измерения, доверительную границу случайной погрешности результата измерения, доверительную границу НСП результата измерения параметра I возьмем из предыдущего примера: ~ ~ I = 8,0 А; S ( I ) = 0,447 A; ε I = 1,25 A; θI = 1,68 A. Аналогично рассчитаем результат измерения, оценку СКО результата измерения, доверительную границу случайной погрешности результата измерения, доверительную границу НСП результата измерения параметра Imax по четвертой группе результатов наблюдений: ~ ~ I max = 12,0 A; S ( I max ) = 0,447 A; ε I max = 1,25 A; θI max = 1,68 A.

2. Оценка результата косвенного измерения: ~ I * = 8,0 / 12,0 ≈ 0,667 A.

3. Доверительную границу погрешности результата прямого измерения параметра I возьмем из предыдущего примера: ΔI ≈ 2,18 А . Аналогично рассчитаем доверительную границу погрешности результата прямого измерения параметра Imax: Δ I max ≈ 2,18 A.

4. Значения частных производных измеряемой величины по параметрам: ∂I * 1 1 = ~ = ≈ 0,00833 A −1 ; ∂I I max 12,0 ~ I 8,0 ∂I * = − ~2 = − ≈ −0,0556 A −1 . 144,0 ∂I max I max

5. Доверительная граница погрешности результата косвенного измерения: Δ I = 0,008332 ⋅ 2,18 2 + 0,0556 2 ⋅ 2,18 2 ≈ 0,218 A ≈ 0,22 A. *

6. Итог косвенного измерения:

I * = ( 0,67 ± 0,22) A; α = 0,95. 114

Литература 1. Статистические методы обработки результатов теплофизиче-

ского эксперимента / Учебное пособие. - Л.: ЛИТМО, 1981. 2. Бегункова А.Ф., Парфенов В.Г. Обработка результатов наблюдений при выполнении лабораторных работ физического практикума / Учебное пособие. Л.: ЛИТМО, 1980 г. 3. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

115

Приложение 5. Таблица основных энергетических, фотонных, световых величин и их единиц Фотонные величины Наименование фотонной величи- Определяющее ны уравнение Поток излучения в фотонах Фp=1/(hc)∫Фе,λ( λ)λdλ Спектральная плотность потока Фp,λ= Фе,λ λ/(hc) излучения в фотонах h = 6,62*10-34 Дж*с =Вт*с2 – постоянная Планка

Единица измерения фотон/с фотон/(с*мкм)

c = 2,998*1014 мкм/с=2,998*108 м/с – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме Формула Планка: M ( λT)=C λ-5(exp(C /(λT))-1)-1 , е,λ

1

2

где С1=3,74*10-12 Вт⋅см2; С2=1,438 см⋅К =1,438*104 мкм⋅К Фp=∫Фp,λ( λ)dλ Энергия излучения в фотонах Спектральная плотность энергии излучения в фотонах Qp=∫Qp,λ (λ)dλ Сила излучения в фотонах Спектральная плотность силы излучения в фотонах Ip=∫I p,λ(λ)dλ Энергетическая светимость в фотонах Спектральная плотность энергетической светимости в фотонах Mp=∫M p,λ(λ)dλ

t2

Qp=t1∫ Фp(t)dt Qp,λ=dQp/dλ

Фотон/с Фотон Фотон/мкм

Ip=dФp/dω I p,λ=dIp/dλ

Фотон Фотон/(с*ср) Фотон/(с*ср*мкм)

Mp=dФp/dA

Фотон/(с*ср) Фотон/(с*м2)

Mp,λ=dMp/dλ

Фотон/(с*м2*мкм)

Облученность в фотонах

Ep=dФp/dA

Фотон/(с*м2) Фотон/(с*м2)

Спектральная плотность облученности в фотонах Ep=∫E p,λ(λ)dλ

Ep,λ=dEp/dλ

Фотон/(с*м2*мкм)

Энергетическая яркость в фотонах

Lp=d2Фp/(dωdAcosθ) Lp,λ=dLp/dλ

Спектральная плотность энергетической яркости в фотонах Lp=∫Lp,λ(λ)dλ

Фотон/(с*м2) Фотон/(с*м2*ср) Фотон/(с*м2*ср*мкм)

Энергетическая экспозиция в фотонах Спектральная плотность энергетической экспозиции в фотонах Hp=∫Hp,λ(λ)dλ

Hp=t1∫ Ep(t)dt

Фотон/(с*м2*ср) Фотон/м2

Hp,λ=dHp/dλ

Фотон/(м2*мкм)

Энергетическое освечивание в фотонах Спектральная плотность энергетического освечивания в фотонах Θp=∫θp,λ(λ)dλ

Θp=t1∫ Ip(t)dt

t2

t2

Θp,λ=dθp/dλ

Фотон/м2 Фотон/ср Фотон/(ср*мкм) Фотон/ср

116

Энергетические величины Наименование энергетической величины Поток излучения Спектральная плотность потока излучения

Определяющее уравнение Фе=dQe/dt Фе,λ=dФе/dλ

Единица измерения Вт Вт/мкм

Распределение спектральной плотности потока излучения по длине волны (аналогично для других величин)

Фе,λ( λ)

Вт/мкм

Максимальная спектральная плотФе,λ,m ность потока излучения Относительное распределение спектральной плотности потока ϕе,λ(λ)= Фе,λ( λ)/Фе,λ,m излучения по длине волны (аналогично для других величин) Длина волны оптического излучения λ Фе=∫Фе,λ( λ)dλ= Фе,λ,m∫ϕе,λ(λ)dλ t2 Энергия излучения Qе= ∫ Фе(t)dt t1

Спектральная излучения

плотность

энергии

Qe,λ=dQe/dλ

плотность

силы

Ie=∫I e,λ(λ)dλ=Ie,λ,m∫i e,λ(λ)dλ Энергетическая светимость

Me=dФe/dA

Спектральная плотность облучённоEe,λ=dEe/dλ сти Ee=∫E e,λ(λ)dλ=Ee,λ,m∫e e,λ(λ)dλ

Спектральная плотность энергетической яркости

Le=d2Фe/(dω*dA*cosθ) = = dIe/(dA*cosθ) Le,λ=dLe/dλ

Le=∫Le,λ(λ)dλ=Le,λ,m∫le,λ(λ)dλ Энергетическая экспозиция

t2

Hе=t1∫ Eе(t)dt

Спектральная плотность энергетичеHe,λ=dHe/dλ ской экспозиции He=∫He,λ(λ)dλ=He,λ,m∫he,λ(λ)dλ Энергетическое освечивание

Дж/мкм

Вт/ср Вт/м2

Ee=dФe/dA

Энергетическая яркость

мкм Вт Дж

Ie=dФe/dω I e,λ=dIe/dλ

Спектральная плотность энергетичеMe,λ=dMe/dλ ской светимости Me=∫M e,λ(λ)dλ=Me,λ,m∫m e,λ(λ)dλ Облучённость

отн.ед.

Дж Вт/ср Вт/(ср*мкм)

Qе=∫Qe,λ (λ)dλ= Qe,λ,m∫q е,λ(λ)dλ Сила излучения Спектральная излучения

Вт/мкм

t2

θе=t1∫ Iе(t)dt

Спектральная плотность энергетичеθe,λ=dθe/dλ ского освечивания θe=∫θe,λ(λ)dλ=θe,λ,m∫υe,λ(λ)dλ

Вт/(м2*мкм) Вт/м2 Вт/м2 Вт/(м2*мкм) Вт/м2 Вт/(ср*м2) Вт/(ср*м2*мкм ) Вт/(ср*м2) Вт*с/м2=Дж/м2 Вт*с/(м2*мкм) Дж/м2 Вт*с/ср=Дж/ср Вт*с/(ср*мкм) Дж/ср

117

Световые величины Наименование световой величины Световой поток

Определяющее уравнение dФγ=Iγdω

Единица измерения лм

Фγ,λ=dФγ/dλ

лм/мкм

Спектральная световая эффективность монохроматического излучения

K(λ)=Фγ,λ /Фe,λ

лм/Вт

Максимальная спектральная световая эффективность излучения при λ=0.555 мкм Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения (старое kλ)

Km=683 1/Km=0.00146

лм/Вт Вт/лм

V(λ)=K(λ)/Kλm

отн.ед.

Спектральная плотность светового потока

Фγ=Kλm∫V(λ)Фγ,λ( λ)dλ t2

Световая энергия Спектральная энергии

Qγ=t1∫ Фγ(t)dt плотность

световой

Qγ,λ=dQγ/dλ

Спектральная (старое rλ)

плотность

Mγ=dФγ/dA Mγ,λ=dMγ/dλ

лм/(м2*мкм)

Iγ=dФγ/dω Iγ,λ=dIγ/dλ

светимости

лм/м2

Mγ=∫Mγ,λ(λ)dλ=Mγ,λ,m∫mγ,λ(λ)dλ Освещенность

Eγ=dФ γ /dA

Спектральная плотность освещенности E γ,λ=dE γ /dλ Eγ=∫E γ,λ(λ)dλ=E γ,λ,m∫e γ,λ(λ)dλ Яркость(старое B)

кд/м2=лм/(ср*м2)

Lγ,λ=dLγ/dλ

кд/(м2*мкм) кд/м2

Lγ=∫Lγ,λ(λ)dλ=Lγ,λ,m∫lγ,λ(λ)dλ Световая экспозиция плотность

световой

Hγ=t1∫ Eγ(t)dt

t2

лк*с

Hγ,λ=dHγ/dλ

лк*с/мкм

Hγ=∫Hγ,λ(λ)dλ=Hγ,λ,m∫hγ,λ(λ)dλ t2

Освечивание

Θγ=t1∫ Iγ(t)dt

Спектральная плотность освечивания Θγ,λ=dθγ/dλ θγ=∫θγ,λ(λ)dλ=θγ,λ,m∫υγ,λ(λ)dλ Схемы, поясняющие некоторые уравнения:

Поток

Сила света

лк=лм/м2 лк/мкм лк

Lγ=d2Фγ/(dωdAcosθ)

Спектральная плотность яркости

Спектральная экспозиции

лм*с/мкм лм*с кд=лм/ср кд/мкм кд лм/м2

Qγ=∫Qγ,λ (λ)dλ= Qγ,λ,m∫qγ,λ(λ)dλ Сила света Спектральная плотность силы света Iγ=∫Iv,λ(λ)dλ=I γ,λ,m∫i γ,λ(λ)dλ Светимость (старое R)

лм лм*с

Светимость

Освещенность

лк*с кд*с кд*с/мкм кд*с

Яркость

118

Примечания: 1.Соотношения между старыми и новыми единицами и их старые наименования Теперь

Me

Me,λ

Le

Kλ

Kλm

V(λ)

Mγ

Mγ,λ

Lγ

Было

Rэ

rэ,λ

Bэ

V(λ)

Vλ,m

K(λ)

R

rλ

B

1нит = 1свеча/м2 =10-4 стильб =1,005 кд/м2 1 блист =1 лм/м2 1лм (старый) = 1,005 лм

1лк (старый) = 1,005 лк (новый) 1свеча =1,005 кд (междунар.)

2.Допускается возможность не использовать подстрочные индексы “e” или “v”, в обозначениях величин, когда исключается возможность их различного толкования 3.Оптическое излучение - излучение с длиной волны от 1 нм до 1 мм. Свет – видимое излучение с длиной волны от 0,380 мкм до 0,780 мкм. 4.Настоящая таблица составлена с учетом ГОСТ 7601-78

Переход от энергетических величин к световым Фе,λ(λ),Вт/мкм Фе,λ(λ)=f(λ) Фе,λ,

λ,мкм

Ф V(λ) 1

0.380 λm=0.555 0.780

λ,мкм

Фе,λ(λ),Вт/мкм V(λ) V(λ)

V(λ)*Фе,λ(λ)

А2 , мм2 æглаза= 0.38∫

0.78

Фе,λ(λ)*V(λ)dλ /

Фе,λ(λ)

А1, мм2 0.380 λm=0.555 0.780 ∞ ∫ Фе,λ(λ)dλ = А2 /А1 0

Фv[лм] = Фе[Вт]*683[лм/Вт]*æг ; λm = 0,555 мкм; Kλ,m = 683 лм/Вт; Перевод справедлив для любой фотометрической величины. Таблицу составил д.т.н., проф. Ишанин Г.Г.

119

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 3 Лабораторная работа "ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ (СВЕТОФИЛЬТРЫ)"........................... 4 Цели работы ............................................................................................. 4 Краткие теоретические сведения ........................................................... 4 Устройство спектрофотометра СФ-26................................................. 16 Порядок выполнения работы................................................................ 17 Содержание отчета ................................................................................ 19 Вопросы для подготовки....................................................................... 19 Литература.............................................................................................. 20 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА С ЗАДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ" .............................. 21 Цели работы ........................................................................................... 21 Краткие теоретические сведения ......................................................... 21 Описание лабораторной установки ..................................................... 25 Порядок выполнения работы................................................................ 26 Содержание отчета ................................................................................ 30 Вопросы для подготовки....................................................................... 30 Литература.............................................................................................. 30 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДИКАТРИС ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ"* ................................................................. 31 Цели работы ........................................................................................... 31 Краткие теоретические сведения ......................................................... 31 Описание лабораторной установки ..................................................... 33 Порядок выполнения работы................................................................ 33 Содержание отчета ................................................................................ 35 Вопросы для подготовки....................................................................... 35 Литература.............................................................................................. 35 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ"*........................................................... 36 Цели работы ........................................................................................... 36 Краткие теоретические сведения ......................................................... 36 Описание лабораторной установки ..................................................... 39 Порядок выполнения работы................................................................ 39 Содержание отчета ................................................................................ 40 Вопросы для подготовки....................................................................... 41 Литература.............................................................................................. 41 Лабораторная работа "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БОЛОМЕТРА" ............................................... 42 Цели работы ........................................................................................... 42 120

Краткие теоретические сведения ......................................................... 42 Методика определения чувствительности болометра ....................... 48 Описание лабораторной установки ..................................................... 51 Порядок выполнения работы................................................................ 51 Обработка результатов...................................................................... 53 Содержание отчета ................................................................................ 54 Вопросы для подготовки....................................................................... 54 Литература.............................................................................................. 54 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИОДОВ"*.................................................. 55 Цель работы........................................................................................... 55 Краткое описание аппаратных и программных............................. 55 средств установки ................................................................................. 55 Порядок выполнения работы.............................................................. 56 Содержание отчета ................................................................................ 59 Вопросы для подготовки..................................................................... 59 Литература.............................................................................................. 60 Лабораторная работа "ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОДИОДОВ" ..... 61 Цели работы ........................................................................................... 61 Краткие теоретические сведения ......................................................... 61 Описание лабораторной установки ..................................................... 64 Порядок выполнения работы................................................................ 65 Содержание отчета ................................................................................ 67 Вопросы для подготовки....................................................................... 68 Литература.............................................................................................. 68 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ"*................................................................................................. 69 Цель работы............................................................................................ 69 Краткие теоретические сведения ......................................................... 69 Описание лабораторной установки ..................................................... 74 Порядок выполнения работы................................................................ 75 Содержание отчета ................................................................................ 78 Вопросы для подготовки....................................................................... 78 Литература.............................................................................................. 79 Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ" .. 80 Цели работы ........................................................................................... 80 Краткие теоретические сведения ......................................................... 80 Описание лабораторной установки ..................................................... 83 Порядок выполнения работы................................................................ 84 Содержание отчета ................................................................................ 88 Вопросы для подготовки....................................................................... 89 Литература.............................................................................................. 89 121

Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ".............................................. 90 Цели работы ........................................................................................... 90 Краткие теоретические сведения ......................................................... 90 Описание лабораторной установки ..................................................... 94 Порядок выполнения работы................................................................ 95 Содержание отчета ................................................................................ 97 Вопросы для подготовки....................................................................... 98 Литература.............................................................................................. 98 Приложение 1. Краткое описание контрольно-измерительной аппаратуры ................................................................................................. 99 Электроизмерительные приборы ......................................................... 99 Монохроматор МДР-3........................................................................... 99 Спектрофотометр СФ-26..................................................................... 101 Приложение 2. Оформление отчета по лабораторной ........................ 105 работе........................................................................................................ 105 Приложение 3. Обработка результатов наблюдений при прямых измерениях ............................................................................................... 107 Пример .................................................................................................. 110 Приложение 4. Обработка результатов наблюдений при косвенных измерениях .................................................................... 113 Пример .................................................................................................. 114 Литература............................................................................................ 115 Приложение 5. Таблица основных энергетических, фотонных, световых величин и их единиц .............................................................. 116 Фотонные величины ............................................................................ 116 Энергетические величины .................................................................. 117 Световые величины ............................................................................. 118

122