СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD OF DETERMINING PHOTODETECTOR RESPONSE TIME

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для контроля и измерения характеристик фотоприемников.
Известен [1] способ, в котором создают две копии исследуемого импульса, направляют их на нелинейный кристалл, обеспечивающий одновременную генерацию излучения второй гармоники одного из импульсов и излучение суммарной частоты от обеих копий, и регистрируют распределение интенсивности.
Недостатком данного способа является высокая сложность и трудная выполнимость в реальных условиях.
Известен [2] способ, в котором регистрируют интегральные по времени пространственные распределения не менее чем в двух плоскостях спектрального прибора, которые находятся на различных расстояниях от плоскости формирования спектра.
К недостаткам следует отнести высокую сложность реализации данного способа.
Известен также [3] способ, в котором источник излучения должен формировать трапецеидальные импульсы излучения. Время нарастания или время спада импульса потока излучения должно удовлетворять заданному условию, а расчет времени нарастания и времени спада импульса потока излучения следует проводить по формулам.
К недостаткам следует отнести низкое быстродействие и точность измеряемых и определяемых параметров.
Заявленное решение направлено на упрощение и повышение точности определения времени отклика исследуемого фотоприемника.
Сущность предложенного способа заключается в следующем. На рабочую поверхность исследуемого фотоприемника подается сигнал, состоящий из последовательности отдельных световых импульсов. Очевидно, что отдельные световые импульсы, облучающие поверхность фотоприемника во временной области, должны иметь форму, близкую к прямоугольной. Разложив входной импульс в интеграл Фурье, получим
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Отсюда для спектра можем определить
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
0
где U - амплитуда импульса, τ - длительность импульса,
вх
и для |S(ω)| имеем
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>ω</mi></mfrac><mo>|</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>|</mo></mrow>
.
Но на выходе фотоприемника получаем не прямоугольный электрический сигнал, а искаженный сигнал (где передний и задний фронты импульса «затянуты», т.е. длительности их увеличены) в виде равнобедренной трапеции. По каждому отдельному принятому электрическому импульсу определяют спектральную плотность мощности:
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>k</mi><mi>τ</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>|</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>k</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>|</mo><mo>|</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo></mrow>
,
где k=tgα, α - угол при вершине трапеции.
Точки обращения в нуль найдем следующим образом:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>→</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>→</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>π</mi><mi>n</mi><mo>→</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>n</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>n</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mi>k</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>→</mo><mi>ω</mi><mi>k</mi><mi>τ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>π</mi><mi>n</mi><mo>→</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>n</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>/</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow>
, (n=1, 2, …);
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>α</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>→</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>α</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>→</mo><mi>k</mi><mi>τ</mi><mo>≤</mo><mi>τ</mi><mo>→</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>τ</mi><mo>≤</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>k</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
.
Теперь определяем значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого электрического сигнала. Каждое такое значение однозначно пропорционально времени отклика фотоприемника, т.к. зависит от k. Получив серию таких значений, путем статистической обработки можно получить усредненное значение времени отклика исследуемого фотоприемника.
Следовательно, зная частоту, где первый раз функция огибающей спектральной плотности мощности электрического импульса обращается в нуль, можно однозначно судить о времени отклика фотоприемника.
Таким образом, приведенный способ позволяет заметно избавиться от неквалифицированных и субъективных измерений визуального порядка, а также от различных технических средств, имеющих различные пороги срабатывания, которые не дают полной уверенности в полученных результатах.
Литература
1. Патент РФ №2305259, 2007.
2. Патент РФ №2345335, 2009.
3. ГОСТ 17772-88.