УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ФОТОПРИЕМНИКОВ ПО АБСОЛЮТНОЙ МОЩНОСТИ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR CALIBRATION OF CAMERA RECEIVERS BY ABSOLUTE POWER OF RADIATION STREAM

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для градуировки фотоприемников по абсолютной мощности потока излучения в инфракрасном диапазоне и может быть использовано в метрологии для первичной аттестации фотодиодных и фоторезистивных измерителей энергетической яркости излучающих объектов.
Известен способ измерения квантовой эффективности фотоприемников, в котором используют устройство, включающее измерительную фотоячейку с единичной квантовой эффективностью (Авт. свид. СССР №1562711, МКИ G01J 1/04, опубл. 1990).
Также известен способ градуировки измерителя спектральной освещенности по абсолютной чувствительности, в котором используют устройство с дополнительным осветителем, выполненным в виде интегрирующей сферы и отверстия в ней (Авт. свид. СССР №1257412, МКИ G01J 1/16, опубл. 1986).
Известно устройство для измерения спектральной чувствительности фотоприемника, в состав которого входят источник излучения, расположенные последовательно по ходу излучения на одной оптической оси первую фокусирующая система, монохроматор, вторая фокусирующая система, оптический коммутатор и фотоприемник (Авт. свид. СССР, №1758446, МКИ G01J 1/04, опубл. 1992).
Известно устройство для калибровки фотоприемников, в состав которого входят два излучателя (галогеновая лампа и модель абсолютно черного тела), двойной монохроматор, блок фокусирующей оптики, вакуумная камера для фотоприемников, блок оптических фильтров, сменные апертуры, модулятор и набор зеркал (Дунаев А.Ю., Крутиков В.Н., Морозова С.П., Саприцкий В.И. Установка для калибровки фотоприемников в диапазоне длин волн 0,25-14 мкм // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение фотоники», 14-17 апреля 2015, Москва, ФГУП «ВНИИОФИ» С. 27-30.). Недостатки данного устройства заключаются в дополнительной погрешности измерений, возникающей из-за использования неполяризованного излучения, часть которого отражается от входного окна вакуумной камеры. Неучет данного отражения или его учет путем введения некоего поправочного коэффициента дополнительно повышает погрешность измерений. Кроме того, устройство довольно громоздко и требует длительного времени для подготовки и выполнения измерений.
Известно устройство для градуировки фотоприемников по спектральной чувствительности, содержащее монохроматический осветитель, состоящий из излучателя и монохроматора, расположенные по ходу излучения фокусирующую оптическую систему, апертурную диафрагму и держатель градуируемого фотоприемника с механизмом ввода-вывода градуируемого фотоприемника из монохроматического пучка излучения, а также эталонный источник излучения и механизм, обеспечивающий последовательно оптическую связь опорного фотоприемника с монохроматическим осветителем и эталонным источником излучения, при этом монохроматический осветитель дополнительно содержит поляризатор, установленный между источником излучения и монохроматором, опорный фотоприемник выполнен в виде спектрорадиометра, состоящего из расположенных последовательно по ходу излучения входного фокусирующего поворотного зеркала, монохроматора, второго поляризатора и фотоприемника, эталонный источник излучения выполнен в виде электронного накопительного кольца, держатель градуируемого фотоприемника расположен между апертурной диафрагмой и входным фокусирующим поворотным зеркалом, причем апертурная диафрагма, держатель градуируемого фотоприемника с механизмом ввода-вывода градуируемого фотоприемника и входное фокусирующее поворотное зеркало жестко связаны между собой и с механизмом, обеспечивающим последовательно оптическую связь опорного фотоприемника с монохроматическим осветителем и эталонным источником излучения, при этом входное фокусирующее поворотное зеркало образует с фокусирующей оптической системой афокальную оптическую систему, апертурная диафрагма расположена в задней фокальной плоскости фокусирующей системы, излучающая область эталонного источника излучения и выходная щель монохроматора монохроматического осветителя являются оптически сопряженными относительно соответственно входного фокусирующего поворотного зеркала и афокальной оптической системы с входной спектральной щелью монохроматора спектрорадиометра, а оба поляризатора ориентированы таким образом, что направления их осей совпадают (Авт. свид. СССР №1314237, МКИ G01J 1/10, опубл. 1987).
Общие недостатки всех перечисленных способов и устройств заключаются в следующем:
Во всех устройствах используется эталонный источник излучения, излучаемая мощность которого известна с некоторой погрешностью, поэтому при передаче значения мощности к исследуемому фотоприемнику данная погрешность суммируется с погрешностью измерений и увеличивает суммарную погрешность градуировки.
Кроме того, в перечисленных устройствах исследуемый фотоприемник сравнивается с эталонным фотоприемником, спектральная чувствительность которого также известна с некоторой погрешностью. Это дополнительно увеличивает погрешность измерений.
Не все из перечисленных устройств позволяют выполнять измерения в широком диапазоне изменения мощности потока излучения, падающего на исследуемый фотоприемник. Поэтому с помощью данных устройств сложно получить ватт-амперную характеристику фотоприемника, которая является важной характеристикой при последующем выборе режима работы приемника для его эксплуатации.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является устройство (прототип) для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения, содержащее блок измерения сигналов, монохроматический излучатель, расположенные последовательно по ходу излучения нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы, фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр, состоящий из расположенных последовательно по ходу излучения входного окна Брюстера и приемной полости, обладающей, в пределах заданной точности, коэффициентом поглощения теплового излучения, близким к единице, при этом фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр установлены на трансляторе положения, обеспечивающем ввод-вывод их из монохроматического пучка излучения, первый поляризатор установлен на держателе с возможностью точного позиционирования его углового положения для изменения оси поляризации, а ось второго поляризатора параллельна плоскости падения излучения на входное окно абсолютного криогенного радиометра под углом Брюстера (патент РФ №2727347, МПК G01J 1/02, G01M 11/00, опубл. 21.07.2020, БИ №21). Недостаток данного устройства заключается в том, что в нем не сведены к минимуму энергетические потери в приемной системе (окно Брюстера - приемная полость) абсолютного криогенного радиометра, вызванные обратным отражением падающего излучения из приемной системы радиометра. Поэтому при реальных измерениях значение измеряемой мощности потока излучения оказываются всегда заниженными, что может значимо снижать точность градуировки фотодиодного приемника. В результате этого устройство обеспечивает точность измерений, характеризуемую относительной погрешностью 0,05%.
Цель изобретения - повышение точности градуировки с одновременным расширением номенклатуры градуируемых фотоприемников.
Указанная цель достигается тем, что устройство для градуировки фотоприемников по абсолютной мощности потока излучения, содержит излучатель, нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы, транслятор углового положения, двухосевой транслятор, измерительный фотоприемник с блоком измерения его сигнала, градуируемый фотоприемник, абсолютный криогенный радиометр и блок измерения его сигналов, при этом абсолютный криогенный радиометр состоит из входного окна Брюстера и приемной полости, которые расположены последовательно по ходу излучения, а излучатель, нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы расположены последовательно по ходу потока излучения и установлены на трансляторе углового положения, обеспечивающем возможность задания угла падения потока излучения в приемную полость абсолютного криогенного радиометра, градуируемый фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр установлены на двухосевом трансляторе положения, обеспечивающем ввод-вывод их из зоны пучка излучения, измерительный фотоприемник установлен так, что его приемная поверхность максимально воспринимает поток отраженного от окна Брюстера излучения, первый и второй поляризаторы установлены в поворотных держателях с возможностью точного позиционирования их углового положения для изменения их плоскостей поляризации, а их оптические оси совпадают с оптической осью потока излучения.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства для градуировки фотоприемников по абсолютной мощности потока излучения, на фиг. 2 - представлен ход лучей потока излучения в приемной полости абсолютного криогенного радиометра.
Устройство содержит излучатель 1, нейтральный поглощающий фильтр 2, первый поляризатор 3 с поворотным держателем для углового позиционирования, второй поляризатор 4 с поворотным держателем для углового позиционирования, транслятор углового положения 5, двухосевой транслятор 6, абсолютный криогенный радиометр 7, состоящий из входного окна Брюстера 8 и приемной полости 9, градуируемый фотоприемник 10, блок измерения и обработки сигналов абсолютного криогенного радиометра 11, измерительный фотоприемник 12, блок измерения сигнала измерительного фотоприемника 13.
max
Излучатель 1 представляет собой либо монохроматический лазер, либо квазимонохроматический лазер (лазер типа «суперконтинуум»). Нейтральный поглощающий фильтр 2 выполняет функцию согласования динамических диапазонов градуируемого фотоприемника 10 и излучателя 1 по мощности. Требуемый коэффициент пропускания нейтрального поглощающего фильтра 2 рассчитывают исходя из значения максимальной мощности Р, которую необходимо измерить абсолютным криогенным радиометром, например, равной 1 мВт. При этом учитывают, что мощность потока излучения, прошедшего последовательно через два поляризатора 3 и 4, равна:
где
0
max
0
max
Р - мощность потока излучения на входе в первый поляризатор (поляризатор 3), которая равна 2P (Р=2P),
3
4
α=α-α - угол между плоскостями поляризации поляризаторов 3 и 4,
3
α - угол плоскости поляризации поляризатора 3,
4
α - угол плоскости поляризации поляризатора 4.
3
4
max
0
min
0
max
0
ф
Максимальное значение мощности потока излучения наблюдается, когда плоскости поляризации поляризаторов 3 и 4 параллельны, т.е. при α=α→α=0 → P=l/2P - Минимальное значение мощности потока излучения соответствует случаю, когда плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, т.е. при α=90° → P=0. С учетом этого, максимальная мощность потока излучения, которое попадает на первый поляризатор 3, должна быть равна Р=2P, т.е. в рассматриваемом примере P=2 мВт. Коэффициент пропускания k нейтрального поглощающего светофильтра 2 рассчитывают по соотношению:
ф
1
max
k=P/2P,
1
где P - мощность излучателя 1.
ф
Пример расчета коэффициента пропускания k нейтрального поглощающего светофильтра 2
1
max
ф
1
max
1
ф
1
max
Пусть, например, излучатель 1 имеет фиксированную заданную мощность потока излучения равную P=100 мВт. Абсолютный криогенный радиометр 7 может измерять предельную максимальную мощность, равную P=1 мВт. В этом случае коэффициент пропускания нейтрального поглощающего фильтра 2 должен составлять k=P/2P=100/2=50. В случае, если излучатель 1 имеет мощность потока излучения, равную P=10 мВт, коэффициент пропускания нейтрального поглощающего фильтра 2 должен составлять k=P/2P=10/2=5.
3
4
Поляризаторы 3, 4 поляризуют излучение, вышедшее из нейтрального поглощающего фильтра 2, причем каждый в своей плоскости, угол каждой из которых задается с помощью соответствующих поворотных держателей указанных поляризаторов. При этом регулировкой угла α плоскости поляризации первого поляризатора 3 устанавливают требуемое значение мощности потока излучения Р, входящего в приемную систему абсолютного криогенного радиометра 7 (входное окно Брюстера 8 - приемная полость 9). Угол плоскости поляризации α второго поляризатора 4 находят при предварительной настройке (юстировке) всего устройства, после чего он остается неизменным в течение всего времени градуировки фотоприемника 10.
ПП
Для снижения энергетических потерь излучения в приемной системе абсолютного криогенного радиометра 7 по сравнению с устройством-прототипом в предлагаемом устройстве входящий в абсолютный криогенный радиометр 7 поток излучения подают под заданным углом β к продольной оси приемной камеры 9 (фиг. 2), и направляют его так, чтобы он первоначально попадал на коническую поверхность приемной полости абсолютного криогенного радиометра вблизи основания ее конуса и при этом обеспечивалось максимально-возможное количество отражений лазерного излучения в приемной полости абсолютного криогенного радиометра. Угол β находят расчетно-геометрическим путем, как показано на фиг. 2. При таком направлении потока излучения доля K поглощенного приемной полостью 9 потока может быть оценена по соотношению:
,
где
р - отражательная способность материала поверхности приемной полости 9,
ε - поглощательная способность материала поверхности приемной полости 9,
N - количество отражений потока лазерного излучения внутри приемной полости 9.
ПП
ПП
15
В данном устройстве достижимо N=15 и более отражений излучения в приемной полости 9, материал которой обладает поглощательной способностью не хуже ε=0,6, поэтому доля K поглощенного приемной полостью 9 потока равна: K=1-(1-0,6)=0,999998=99,9998%. Регулировка заданного угла β осуществляется с помощью транслятора углового положения 5.
БР
Дополнительное снижение энергетических потерь потока излучения в предлагаемом устройстве достигается за счет точной регулировки угла плоскости поляризации второго поляризатора 4 вплоть до полного его совпадения с углом Брюстера входного окна Брюстера 8 абсолютного криогенного радиометра 7. Указанная регулировка осуществляется с помощью поворотного держателя второго поляризатора 4 и контролируется с помощью измерительного фотоприемника 12 и блока измерения его сигнала 13. При регулировке достигают минимального отраженного излучения от наружной поверхности входного окна Брюстера 8, что соответствует минимуму сигнала с измерительного фотоприемника 12. В результате такой проведенной регулировки реально достижимая доля прошедшего через входное окно Брюстера потока излучения составляет К=0,9999=99,99%.
АКР
ПП
БР
В итоге доля потока излучения, поглощенного приемной системой абсолютного криогенного радиометра 7 (входное окно Брюстера 8 - приемная полость 9) составляет К=КК=0,999998⋅0,9999=0,99989 или 99,989%. Таким образом, энергетические потери составляют (100-99,989)=0,011%, что почти в 4 раза лучше, чем в устройстве-прототипе.
Градуировка фотоприемника 10 по абсолютной мощности потока излучения заключается в измерении мощности потока излучения, поглощенного приемной полостью 9 радиометра 7 с последующим облучением этим же потоком излучения градуируемого фотоприемника 10, измерением его сигнала и расчетом его спектральной чувствительности по соотношению:
где
ф
I - сигнал, генерируемый фотоприемником от потока излучения,
Р(λ)- спектральная мощность падающего излучения,
S(λ) - спектральная чувствительность градуируемого фотоприемника.
Градуируемый фотоприемник 10 может быть как фотодиодным, так и фоторезистивным.
Устройство работает следующим образом.
3
4
Первоначально выполняют настройку (юстировку) устройства. Для этого с помощью поворотных держателей устанавливают плоскости поляризации поляризаторов 3, 4 в строго вертикальное положение, т.е. α=α=0°. Этим достигают максимального пропускания потока излучения через поляризаторы 3, 4, что облегчает регулировку второго поляризатора 4 по углу Брюстера. С помощью углового транслятора 5 подают поток излучения от излучателя 1 под заданным углом β, как это показано на фиг. 2. Затем, изменяя с помощью поворотного держателя второго поляризатора 4 угол плоскости поляризации второго поляризатора 4, добиваются минимального сигнала с измерительного фотоприемника 12. При достижении минимума указанного сигнала считают, что плоскость поляризации входного излучения в приемную систему абсолютного криогенного радиометра 7 точно равна углу Брюстера входного окна Брюстера 8. На этом юстировка устройства закончена.
3
3
После завершения юстировки выполняют градуировку градуируемого фотоприемника 10. Для этого с помощью поворотного держателя первого поляризатора 3 устанавливают угол поляризации α и, соответственно, заданную мощность потока излучения, входящего в приемную систему абсолютного криогенного радиометра 7. С помощью блока измерения и обработки сигналов абсолютного криогенного радиометра 11 измеряют мощность потока излучения. Затем с помощью двухосевого транслятора 6 выводят абсолютный криогенный радиометр 7 из зоны пучка излучения и вводят в нее градуируемый фотоприемник 10, после чего регистрируют его сигнал. Измеренному сигналу фотоприемника 10 ставят в соответствие значение мощности, измеренной абсолютным криогенным радиометром 7. Затем снова с помощью двухосевого транслятора 6 выводят градуируемый фотоприемник 10 из зоны пучка излучения и вводят в нее абсолютный криогенный радиометр 7. С помощью поворотного держателя первого поляризатора 3 устанавливают новый угол поляризации α и, соответственно, новую заданную мощность потока излучения, входящего в приемную систему абсолютного криогенного радиометра 7 и измеряют ее. Затем с помощью двухосевого транслятора 6 выводят абсолютный криогенный радиометр 7 из зоны пучка излучения и вводят в нее градуируемый фотоприемник 10, после чего регистрируют его сигнал. Измеренному сигналу фотоприемника 10 ставят в соответствие значение мощности, измеренной абсолютным криогенным радиометром 7. Данные операции повторяют заданное количество раз для разных мощностей потока излучения, для которых требуется градуировка фотоприемника 10.
max
2
2
-6
С помощью предлагаемого устройства можно измерять спектральную чувствительность при мощностях излучения от 1 мкВт до 1 мВт. При этом дискретность измеряемых значений мощности потока излучения может быть очень мала - существующие прецизионные поворотные держатели для поляризаторов обеспечивают чувствительность углового позиционирования не хуже 5 угловых секунд, что соответствует шагу по мощности: ΔР=Р(1-cos(Δα))=l-cos(5'')=l,9⋅10 мкВт. Это позволяет получать точную градуировочную характеристику фотоприемника.