ФОТОМЕТР
PHOTOMETER

Изобретение относится к области техники измерения фотометрических параметров (оптико-электронного приборостроения) и может быть использовано для измерения параметров излучения, являющегося информационным сигналом при контроле различных процессов в медицине, науке, технике и на производстве, в частности для дистанционного измерения температуры объектов методами пирометрии [1]. При этом фотометр, являясь первичным измерительным преобразователем (датчиком пирометра), определяет все основные характеристики измерительного прибора: диапазон измерений, быстродействие, погрешность измерений, пороговую чувствительность, разрешающую способность и воспроизводимость (надежность) показаний.
Основные проблемы пирометрии связаны, с одной стороны, с невысокой точностью измерений в области низких температур, вызванной низким уровнем чувствительности существующих фотодетекторов в спектральной области теплового излучения (инструментальная погрешность), и с непредсказуемой величиной методической погрешности (может в десятки раз превышать инструментальную), вызванной большим числом трудноконтролируемых факторов, влияющих на функциональное преобразование «колебания атомов (температура объекта>0) →тепловое излучение→измеряемый сигнал (ток или напряжение)» - с другой стороны. Повышение точности пирометрических измерений достигается за счет применения многоканальных схем с использованием двух и более измерительных спектральных диапазонов (каналов) и дополнительных калибровочных каналов, что предъявляет еще более жесткие требования к чувствительности фотодетекторов, используемых в фотометре. Низкие уровни собственных шумов фотодетекторов на основе фотовольтаических приемников (фотодиодов), работающих без смещения, позволяют создавать измерительные устройства - фотометры с характеристиками точности и чувствительности, - не достижимыми для фотодетекторов других типов.
Известен двухканальный фотометр, предназначенный для использования в пирометрии и содержащий два оптически связанных фотодиода, подключенных к блоку регистрации и обработки сигналов, и оптическую систему, обеспечивающую оптическую связь между контролируемым объектом и упомянутыми фотодиодами [2]. Фотометр содержит объектив, фокусирующий изображение контролируемого тела на два фотоприемника, перед каждым из которых установлен спектральный фильтр излучения, усилители сигналов каждого фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор и индикатор температуры, при этом каждая пара - спектральный фильтр излучения и фотоприемник - установлена соосно оптической оси объектива, первый фотоприемник, чувствительный, например, в области длин волн 600-1200 нм, выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волны более, например, 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник, а перед первым фотоприемником установлен светофильтр, поглощающий излучение в видимой части спектра, например в области длин волн λ=300-600 нм. Ток фотоприемника поступает в усилитель, а затем в аналогово-цифровой преобразователь и далее в микропроцессор, который вычисляет отношение сигналов излучения и формирует сигнал, пропорциональный температуре измеряемого тела.
В данном фотометре в качестве информационного параметра для расчета значений температуры объекта используется отношение потоков излучения в двух ограниченных различными фильтрами участках спектра, что позволяет снизить методическую погрешность пирометра в предположении о том, что такие «влияющие факторы», как: излучательная способность объекта, пропускание промежуточной среды и коэффициент преобразования оптической схемы (определяется геометрией оптической схемы и расстоянием до объекта) оказывают одинаковое влияние на оба измерительных канала и при делении сокращаются.
Достоинством известного фотометра, обеспечивающим снижение методической погрешности измерений температуры объекта, является использование единой оптической схемы для обоих спектральных каналов фотометра, ее простота и небольшие габариты. Недостатком является высокая инструментальная погрешность измерений, обусловленная существованием градиента температуры внутри прибора и, как следствие, неконтролируемое изменение чувствительности фотодиодов, несмотря на их близкое расположение друг к другу.
Указанный недостаток устраняется в известном фотометре [3], содержащем оптически связанные объектив, полевую диаграмму, светоделительное зеркало и фотоприемники, соединенные с измерителем отношения сигналов, выход которого подключен к входу индикатора результатов измерения, причем фотометр имеет термостат, в который помещены приемники излучения, светоделительное зеркало и линза оптической системы, фокусирующая поток излучения на фотоприемники.
Достоинством известного фотометра является высокая точность измерений, а недостатком - большие габариты и энергопотребление, связанные с наличием термостата.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является фотометр, использованный в пирометре и содержащий по крайней мере два фотодиода, блоки усиления, регистрации и обработки сигналов фотодиодов, источник напряжения или тока, оптическую схему для концентрации потока излучения от измеряемого объекта по крайней мере на два фотодиода [4]. Фотодиоды выполнены с активной областью из полупроводников с непрямой структурой зон (непрямозонные полупроводники Si, Ge), источник напряжения или тока (генератор импульсов) подключен к выводам каждого фотодиода и используется для их нагревания с возможностью измерения температуры объекта при фиксированной температуре обоих фотодиодов (стабилизация коэффициентов чувствительности фотодиодов в каждом из спектральных каналов). В известном фотометре использован сдвоенный фотодетектор, содержащий два фотодиода, расположенных соосно друг другу. Такой фотодетектор имеет верхний и нижний фотодиоды, расположенные на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Верхний фотодиод выполнен в виде светофильтра таким образом, что свет проходит через него и попадает в нижний фотодиод. Размеры фотодиодов - до 3 мм. Таким образом, один объектив фокусирует изображение контролируемого объекта одновременно на два фотодиода.
Температура фотодиода зависит от величины тока (напряжения) и времени нагрева. При эксплуатировании фотометра устанавливают время, при котором температура достигнет требуемого значения. При этом температуру измеряют известными средствами, например с помощью термопары.
Достоинствами известного фотометра, обеспечивающего снижение методической погрешности измерений температуры объекта, являются использование единой оптической схемы для обоих спектральных каналов, простота конструкции и небольшие габариты.
Недостатком, не позволяющим достигнуть предельных значений точности измерений, обеспечиваемых использование фотодиодов, является отсутствие элементов и связей для обеспечения калибровки фотодетектора фотометра - корректировки коэффициентов преобразования входной тепловой мощности в измеряемый сигнал фотодиодов (значения токовой, A/Bт, или вольтовой, B/Вт, чувствительности).
Задачей изобретения по п.1 является повышение точности и надежности фотометрических (например, пирометрических) измерений за счет создания условий для внутренней (само) калибровки фотодетекторов.
Задача решается тем, что фотометр, содержащий по крайней мере два фотодиода, блоки усиления, регистрации и обработки сигналов фотодиодов, источник напряжения или тока, оптическую схему для концентрации потока излучения от измеряемого объекта, по крайней мере на два фотодиода, дополнительно содержит коммутатор, обеспечивающий взаимосвязь фотодиодов и блоков друг с другом, включая обеспечение возможности одновременного подключения одного или нескольких фотодиодов к источнику, а остальных фотодиодов к упомянутым блокам усиления, по крайней мере один из фотодиодов, подключаемых к источнику, выполнен с активной областью на основе прямозонного полупроводника и оптически связан по крайней мере с одним из фотодиодов, чувствительных к излучению с энергией квантов, соразмерной со значением ширины запрещенной зоны прямозонного полупроводника (Фиг.1-3)
Задачей изобретения по п.2 является расширение функциональных возможностей фотометра за счет оперативного отображения и цифровой передачи данных, а также выдачи команд на устройства, управляющие контролируемым процессом.
Задача решается тем, что фотометр по п.1 дополнительно содержит блок передачи данных, соединенный с блоками регистрации и обработки сигналов фотодиодов (Фиг.4-5).
Задачей изобретения по п.3 является снижение порога чувствительности и повышение точности измерений фотометров в области низких температур (ниже 300°C) за счет расширения (сдвига) спектральной чувствительности фотодетектора в ИК-область спектра при сохранении высокой надежности фотометрических измерений.
Задача решается тем, что в фотометре по п.1 по крайней мере один из фотодиодов, подключенных к источнику, выполнен с активной областью с поперечным размером от 0.01 до 1 мм, с максимумом спектральной чувствительности в области 2-5 мкм и снабжен иммерсионной линзой.
Задачей изобретения по п.4 является повышение точности измерений в частном случае низкотемпературной пирометрии.
Задача решается тем, что в фотометре по п.1 оптическая система дополнительно содержит делитель падающего потока и по крайней мере два фотодиода выполнены дискретными (Фиг.6, 7).
Задачей изобретения по п.5 является уменьшение энергопотребления.
Задача решается тем, что в фотометр по п.4 дополнительно содержит вогнутое зеркало, в фокусе которого расположен по крайней мере один из фотодиодов (Фиг.8).
Задачей изобретения по п.6 является повышение точности измерений.
Задача решается тем, что в фотометре по любому из пп.1-5 источник напряжения или тока выполнен с возможностью изменения полярности напряжения или тока.
Задачей изобретения по п.7 является повышение точности измерений.
Задача решается тем, что фотометр по любому из пп.1-5 дополнительно содержит по крайней мере один светодиод, соединенный через коммутатор с генератором напряжения или тока и оптически связанный по крайней мере с двумя фотодиодами, чувствительными к его излучению (Фиг.9, 10).
Задачей изобретения по п.8 является уменьшение габаритов при одновременном повышении точности измерений.
Задача решается тем, что в фотометре по любому из пп.1-5 активные области фотодиодов расположены последовательно по ходу лучей, при этом расстояние между ними не более 3 мм, а пространство между поверхностями фотодиодов заполнено оптическим клеем (Фиг.11).
Задачей изобретения по п.9 является уменьшение габаритов и упрощение процесса настройки оптической схемы.
Задача решается тем, что в фотометре по любому из пп.1-3 по крайней мере два фотодиода имеют общую подложку (Фиг.11).
Задачей изобретения по п.10 является упрощение процесса настройки оптической схемы.
18
-3
17
-3
Задача решается тем, что в фотометре по любому из пп.1-3 по крайней мере два фотодиода имеют общую подложку из арсенида индия n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов n=(1-6) 10 см, причем активная область, прилегающая к поверхности, облучаемой фотонами, исходящими от объекта, выполнена из арсенида индия или близких к нему по составу твердых растворов с концентрацией носителей заряда (n,p)<10см (Фиг.12).
3
5
В отличие от фотометра-прототипа в заявляемом техническом решении кардинально изменено функциональное назначение генератора (в известном решении - генератора импульсов, в нашем решении - генератора напряжения или тока) на физическое состояние фотодиода. В заявляемом решении генератор импульсов может быть выполнен и в виде источника СВЧ-излучения, при этом его функциональное влияние сохранится, а именно сохранится возможность влиять на температуру фотодиодов. В нашем решении роль генератора напряжения или тока не сводится только к изменению температуры фотодиода, как это было заявлено ранее в прототипе. Выполнение активных областей фотоприемников из p-n-структур на основе прямозонных материалов, например, таких как соединения и твердые растворы AB (InAs, InAsSb, InAsSbP, InGaAsSb и др.), в заявляемом решении дает возможность управлять не только температурой фотодиодов в составе фотометра, но и другими, более важными для фотометрических измерений процессами - формировать поток инжекционной люминесценции фотодиода в рабочей спектральной области фотометра. Для примера, при комнатной температуре в диоде с активной областью диаметром 240 мкм протекание тока силой 1 mA создает плотность потока излучения на длине волны 3.4 мкм, эквивалентную плотности потока излучения от объекта, нагретого до 400 K [5]. При типичных значениях теплового сопротивления 50 K/Вт и 1=1 мA (U=50 мB) истинный «перегрев» диода, питаемого постоянным током, составит 0.0025 K, т.е. не может явиться источником дополнительной ошибки измерений, т.к. значительно меньше предела разрешения всех известных нам пирометров. При этом интенсивность люминесценции «холодного» диода может изменяться в широких пределах, вплоть до потоков излучения, эквивалентных потокам от тел, нагретых до температур, достигающих 1250 K [6]. Интенсивность этого люминесцентного излучения является строго определенной при выбранных значениях тока и температуре фотодиода, а потому последний может служить для создания «калибровочного потока излучения» или в конкретном пирометрическом применении «калибровочной температурной точки». Это обстоятельство используется для корректировки сигналов, вырабатываемых другими, не подключенными к источнику фотодиодами, если они чувствительны к упомянутому выше люминесцентному излучению. Учитывая тот факт, что быстродействие фотодиодов из большинства прямозонных материалов в режиме приема и генерации излучения составляет 10-50 нс [7], регулировка температуры фотодиодов (например, с помощью постоянного тока) и проведение калибровки с использованием электролюминесцентного излучения (например, с использованием импульсного тока с длительностью импульсов ~ 100 нс) могут осуществляться «квазинепрерывно» и независимо друг от друга в едином измерительном цикле.
Крайне важным обстоятельством является также возможность осуществления проверки линейности преобразования в измерительных трактах для фотометров, предназначенных для измерения потоков излучения от объектов с невысокой температурой (<400°C). Фотодиод из полупроводника с прямой структурой энергетических зон в режиме прямого смещения является идеальным калибровочным источником, поскольку, как указывалось выше, он создает потоки излучения, эквивалентные потоку от объекта, при исключительно малых значениях тока (например, менее 1 мA). При таких малых токах фотодиод является хорошим «калибратором» линейности, поскольку его мощность излучения пропорциональна току в широком диапазоне значений.
Использование фотоприемника из непрямозонного материала, например из кремния, не приведет к возникновению инжекционной люминесценции и к формированию стабильных потолков излучения из-за крайне низкого квантового выхода. Основным же следствием приложения напряжения к такому «непрямозонному» фотодиоду является его тепловой разогрев, как это и отмечено в описании фотометра-прототипа [4].
В совокупности с предлагаемыми свойствами коммутатора и наличием соответствующей оптической связи в заявляемом фотометре возникает возможность использовать интенсивность люминесцентного излучения «прямозонного» фотодиода(ов), подключенного к источнику напряжения(тока) с помощью другого(их) фотодиода(ов), чувствительного(ых) к упомянутому выше излучению и подключенного(ых) к блоку усиления, регистрации и обработки сигналов фотодиодов для внутренней (само) калибровки фотометра. Повышение точности и надежности фотометрических измерений достигается за счет обеспечения возможности периодического тестирования (проверки работоспособности) и корректировки значения коэффициента преобразования входной тепловой мощности в измеряемый сигнал фотодиода(ов) по одной или нескольким «калибровочным температурным точкам». Функциональную зависимость интенсивности люминесцентного излучения фотодиода(ов), подключенного(ых) к источнику, можно задавать аналитически или в виде таблицы, полученной с использованием данной пары фотодиодов, либо данного фотодиода и внешнего фотоприемника излучения на этапе, предшествующем сборке фотометра. Выполнение источника напряжения (тока) с возможностью изменения полярности напряжения (тока) существенно расширяет возможности калибровочного процесса, поскольку появляются предпосылки для получения не только «положительных» потоков электролюминесцентного излучения (сигналов ЭЛ, ΔL>0), но также и потоков отрицательной люминесценции (сигналов ОЛ, ΔL>0). Отрицательная люминесценция имеет ряд особенностей, например слабую зависимость (или ее полное отсутствие) от приложенного напряжения [8], что снижает шумы радиационного потока, вызванные шумами источника напряжения, и соответственно повышает точность калибровки и последующих измерений.
Добавление в фотометр вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен по крайней мере один из фотодиодов, позволяет проводить калибровку при малых значениях тока через фотодиоды благодаря более эффективному использованию оптической мощности. При этом снижается энергопотребление в процессе калибровки соответственно в процессе работы фотометра.
Использование дополнительного блока передачи данных, соединенного с блоком регистрации и обработки сигналов фотодиодов, расширяет функциональные возможности фотометра в составе любого измерительного устройства за счет появления возможности оперативного анализа и отображения различных характеристик объекта, получаемых при обработке сигналов фотодиодов. В пирометрии такими характеристиками помимо температуры могут быть, например, излучательная способность объекта (англ. термин - emissivity, ε), скорость изменения температуры и излучательной способности, важные для контроля ряда специфических технологических процессов.
Одним из вариантов исполнения блока передачи данных является устройство, состоящее из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП), интерфейса, передатчика и канала связи (протоколы RS232, USB, Ethernet и т.п.). В простейшем случае сигналы фотодиодов, обработанные в блоке обработки, выполненном в виде частотных фильтров или синхронных детекторов, преобразуются в цифровой массив, передаваемый через интерфейс в передатчик, и далее в канал связи. При этом осуществляется максимально быстрая передача данных. Этот поток данных может быть передан в компьютер, где после соответствующих вычислений будет отображаться интересующая оператора информация. В другом варианте между АЦП и интерфейсом встраивается вычислительный блок, производящий расчет искомых параметров, например расчет температуры объекта и его излучательной способности; в этом случае по каналу связи будут передаваться сами искомые параметры. Цифровая обработка данных, включая вычисления и выдачу команд, решает задачу оперативного дистанционного управления контролируемым процессом, что особенно актуально при использовании фотодиодов с характерным значением постоянной времени 10-20 нс, открывающих возможность анализа и управления быстропротекающих процессов.
В фотометре могут использоваться как монолитные, так и дискретные фотодиоды.
Дискретные фотодиоды, например для диапазона 3-5 мкм, могут изготавливаться с иммерсионными линзами [7]. Для повышения точности измерения в области слабых сигналов (область низких температур) в ряде случаев целесообразно использовать оптическую систему с делителем падающего потока в сочетании с фотодетектором на основе дискретных фотодиодов, характеристики которых выбраны (подобраны) с учетом получения максимально возможных значений отношения сигнал/шум в требуемом спектральном и энергетическом диапазоне фотометрических измерений. Актуальность использования дискретных фотоприемников связана еще и с тем, что промышленностью на данный момент не производятся сдвоенные фотоприемники средневолнового диапазона, работающие при комнатной (или близкой к комнатной) температуре, содержащие два фотоприемника, расположенных соосно друг другу и имеющих оптимальные для низкотемпературной пирометрии характеристики. Описанные в прототипе фотодиоды на основе кремния и германия прозрачны в области оптимальных для низкотемпературной пирометрии длин волн - 2-5 мкм и поэтому не годятся для высокоточных низкотемпературных измерений. Кроме того, и кремний и германий являются непрямозонными полупроводниками, поэтому внутренняя калибровка в фотодетекторе на основе производимых промышленностью и упомянутых в [4] сдвоенных фотоприемников невозможна из-за отсутствия у фотодиодов инжекционного излучения. В этой связи использование по крайней мере двух дискретных фотоприемников, принимающих потоки излучения, даже несмотря на уменьшение энергии в каждом из потоков из-за его разделения, приводит к повышению точности.
Выполнение фотометра по крайней мере с одним из фотодиодов, подключенным к источнику и выполненным с активной областью с поперечным размером от 0.01 до 1 мм, с максимумом спектральной чувствительности в области 2-5 мкм и снабженным иммерсионной линзой, обеспечивает наилучшие условия для получения высоких значений отношения сигнал/шум при измерениях низких температур (ниже 300°C). При измерениях объекта с низкой температурой величины потоков излучения в коротковолновой области (длина волны менее 1 мкм) на 3-5 порядков ниже, чем в области спектра 2-5 мкм, поэтому для снижение порога чувствительности и повышение точности измерений температуры в области низких температур желательно использовать фотодиоды с максимумом чувствительности в средневолновой ИК-области спектра. Собственные шумы таких фотодиодов пропорциональны площади активной области, поэтому уменьшение размеров активной области (области p-n- перехода) крайне актуальны для фотометрических измерений. Однако при линейных размерах активной области менее 0.01 мм избыточные токи по поверхности (утечки) фотодиода сопоставимы или превосходят диффузионные токи, поэтому характеристики фотодиодов (главным образом - обнаружительная способность) ухудшаются, что ведет к увеличению погрешностей в данных, измеренных фотометром.
Сочетание фотодиода с малым (0.01-1 мм) линейным размером активной области и фокусировкой на него излучения от измеряемого объекта, включая фокусировку иммерсионной линзой, обеспечивает наилучшее соотношение информативного сигнала и шума при фотометрических измерениях (отношение сигнал/шум), поэтому позволяет расширять диапазон измерений в область слабых сигналов (для пирометрии - в область низких температур). При измерениях объектов с высокой температурой (t>500°C) величины потоков излучения велики, и поэтому допустимо использование фотодиодов большой площади (в прототипе - это фотодиоды с поперечным размером до 3 мм).
Добавление в фотометр по крайней мере одного светодиода, соединенного через коммутатор с генератором напряжения или тока и оптически связанного по крайней мере с двумя фотодиодами, чувствительными к его излучению, улучшает точность измерений (калибровки), поскольку одновременно регистрируется интенсивность излучения от одного и того же источника. Это позволяет более точно контролировать параметры фотодиодов, например их чувствительность. Данные о контрольных измерениях можно использовать как для выравнивания чувствительностей, например, за счет изменения температуры фотодиодов аналогично [4], так и при вычислениях отношения потоков в нескольких спектральных полосах, например, при использовании многоканального фотодетектора для определения температуры методом спектрального отношения.
Расположение активных областей фотодиодов последовательно по ходу лучей, при расстоянии между ними не более 3 мм и заполнение пространства между поверхностями фотодиодов оптическим клеем (Фиг.10) уменьшает габариты и одновременно повышает точность измерений, поскольку наличие оптического клея увеличивает вероятность прохождения лучей через первый по ходу лучей фотодиод. При наличии фокусирующих элементов оптической схемы часть лучей внутри такого фотодиода при их движении «на выход» может попадать на границу раздела полупроводник/среда с углами, большими угла полного внутреннего отражения. Оптический клей имеет показатель преломления, больший единицы, поэтому поток излучения во втором по ходу лучей фотодиод возрастает. Наилучшим клеем на сегодняшний день является халькогенидное стекло (n=2-2.6). При расстояниях между фотодиодами больших, чем 3 мм, начинает сказываться поглощение в оптическом клее, прозрачность которого всегда меньше единицы. Наилучший результат будет достигаться при толщине клея, составляющей 1-2 длины волны излучения.
Для фотометра, в котором по крайней мере два фотодиода имеют общую подложку, существенно облегчается процесс настройки, поскольку взаимное расположение активных областей фотодиодов строго фиксировано. Кроме этого облегчается задача фокусировки потока излучения на активные области ввиду их близкого расположения. Фотодиоды могут быть получены на двух разных сторонах полупроводниковой подложки, например, из антимонида или арсенида галлия, фосфида индия, кремния, CdZnTe толщиной не более 500 мкм.
18
-3
17
-3
18
-3
18
-3
18
-3
В фотометре, в котором по крайней мере два фотодиода имеют общую подложку из арсенида индия n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов n=(1-6)⋅10см, и активную область, прилегающую к поверхности, облучаемой фотонами, исходящими от объекта, выполненную из арсенида индия или близких к нему по составу твердых растворов с концентрацией носителей заряда (n, р)<10 см, обеспечивается одновременно и облегчение задачи фокусировки потока излучения на активные области ввиду их близкого расположения и достижение высоких эксплуатационных характеристик. Для фотодиодов, полученных на разных сторонах подложки, крайне важным является как получение качественной полупроводниковой структуры, так и высокой прозрачности подложки для осуществления оптической связи между фотодиодами. При значении концентрации свободных электронов в арсениде индия электронного типа проводимости n=(1-6)⋅10 см обеспечивается «просветление» подложки благодаря эффекту Мосса-Бурштейна [6]. При значениях n>6 10 см резко увеличивается количество дефектов структуры, поэтому чувствительность (точность) существенно снижается, а при n<10 см эффекта «просветления» не наступает.
17
-3
15
-3
17
-3
При значении концентрации свободных носителей в активном слое (n, p)<10 см обеспечиваются минимальные шумы фотодиодов (наибольшая чувствительность, высокая точность). Нижний предел концентраций определяется технологическим уровнем конкретного способа получения структур. Так, например, при использовании гетерирования редкоземельными элементами концентрация остаточных примесей (свободных носителей) составляла n=5⋅10 см в слоях InGaAsSb на подложке InAs [9]. При значениях концентраций (n, p)>10 см произойдет резкое возрастание шумов фотодиодов и снижение точности измерений.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематически изображен первый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использован один сдвоенный фотоприемник, состоящий из двух фотодиодов (1, 2), выполненных с p-n-переходом в активных областях на основе полупроводников с прямой структурой зон. На этом и последующих фигурах стрелками схематично показаны направления потоков излучения от измеряемого объекта (7) (широкие стрелки) и от фотодиодов (тонкие сплошные стрелки) при их подключении к источнику напряжения (тока);
на фиг.2 схематически изображен второй вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы два дискретных фотодиода (1, 2), один из которых (2) выполнен с p-n-переходом в активной области на основе полупроводника с прямой структурой зон. Излучение от него, показанное сплошной тонкой стрелкой, попадает на другой фотодиод (1);
на фиг.3 схематически изображен третий вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы три дискретных фотодиода (1, 2, 10), выполненных с p-n-переходом в активной области на основе полупроводников с прямой структурой зон;
на фиг.4 схематически изображен четвертый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором добавлен блок передачи данных (11) и использован сдвоенный фотоприемник (1, 2) и коммутатор (4), осуществляющий подключение близлежащего к объекту измерения фотодиода (1) к источнику напряжения (тока) (6), а удаленного от объекта фотодиода (2) - к блоку усиления (усилителю) сигнала (9) и к блоку регистрации и обработки сигналов (5), соединенному с блоком передачи данных (11);
на фиг.5 схематически изображен четвертый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором добавлен блок передачи данных (11) и использован сдвоенный фотоприемник (1, 2) и коммутатор (4), осуществляющий подключение удаленного от объекта измерения фотодиода (2) к источнику напряжения (тока) (6), а близлежащего к объекту фотодиода (1) - к блоку усиления (усилителю) сигнала (3) и к блоку регистрации и обработки сигналов (5), соединенному с блоком передачи данных (11);
на фиг.6 схематически изображен пятый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы два дискретных фотодиода (1, 2) и делитель потока от измеряемого объекта (12). Делитель потока может быть выполнен в виде призмы или плоской пластины из материала, прозрачного в инфракрасной области спектра;
на фиг.7 схематически изображен пятый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы два дискретных фотодиода (1, 2) и делитель потока от измеряемого объекта (12) и фокусирующая линза (8);
на фиг.8 схематически изображен шестой вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использован вогнутый отражатель (13) для потоков излучения, исходящих от фотодиодов;
на фиг.9 схематически изображен седьмой вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы два дискретных фотодиода и один светодиод (14). Дополнительный светодиод (14) может быть изготовлен из полупроводниковых гетероструктур А3В5, таких как InAsSbP/lnAs, InAsSbP/lnAsSb и др.;
на фиг.10 схематически изображен седьмой вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором использованы два дискретных фотодиода и два светодиода (14, 15). При этом один из светодиодов (14) расположен вблизи от измеряемого объекта (7);
на фиг.11 схематически изображен восьмой вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором пространство между двумя дискретными фотодиодами (1, 2) заполнено оптическим клеем (16). Штриховая линия обозначает, что два дискретных фотодиода, скрепленных оптическим клеем, могут также рассматриваться как «сдвоенный фотодиод», изготавливаемый в едином сборочном цикле;
на фиг.12 схематически изображен девятый вариант воплощения заявляемого фотометра, в котором два фотодиодами (1, 2) имеют общую (проводящую электричество) подложку (17) и иммерсионную линзу (18), сопряженную с поверхностью фотодиода оптическим клеем (19). Штриховая линия обозначает, что два фотодиода на единой подложке, скрепленных с линзой оптическим клеем, могут также рассматриваться как «сдвоенный фотодиод», изготавливаемый в едином сборочном цикле.
Фотометр содержит полупроводниковые фотодиоды (1,2,10), блоки для усиления электрических сигналов фотодиодов (3, 9 или 3+9), коммутатор (4), осуществляющий соединение между фотодиодами (1, 2, 10), блоками усиления (3, 9), блоком регистрации и обработки сигналов фотодиодов (5) и источником напряжения или тока (6), блок передачи данных (11), фокусирующие (8, 13, 18) и делительные (12) элементы оптической схемы, светодиоды (14. 15), оптический клей (16, 19), а также подложку, единую по крайней мере для двух фотодиодов (17).
Оптическая система может быть выполнена в виде иммерсионных линз фотодиодов, т.е. «внутренних» по отношению к фотодиодам элементов, при этом дополнительных («внешних») элементов системы может не быть (Фиг.2-7). Возможно также сочетание «внутренних» и «внешних» концентраторов излучения, например, в фотометре, содержащем фокусирующую двояковыпуклую линзу (Фиг.1-12), например, из сапфира, и иммерсионное линз(ы) в форме сферы Вейерштрасса, например, из кремния, или полусферы из халькогенидного стекла [10].
Существует несколько вариантов работы фотометра.
2
2
2
2
2
2
В простейшем варианте использования фотометра перед началом измерений проводят калибровку, т.е. устанавливают фотометр у объекта с известными характеристиками излучения, например с низкой температурой (это может быть, например, участок неба), и в первой фазе измерений через коммутатор (4) подключают один из фотодиодов, например фотодиод, имеющий чувствительность S и обозначенный цифрой (2), и к генератору напряжения (6), а другой фотодиод, например, обозначенный цифрой (1), - к блоку усиления регистрации и обработки сигналов (5) (см. Фиг.5). В зависимости от полярности напряжения источника (6) фотодиод (2) генерирует неравновесное излучение положительной (ΔL>0) или отрицательной (ΔL<0) люминесценции. Далее, изменяя ток через фотодиод (I) в заданном диапазоне значений, модулируют интенсивность люминесцентного (неравновесного) излучения (L) и регистрируют значения фотосигналов () в виде таблицы данных () и/или в виде аналитической функции, наилучшим образом аппроксимирующей экспериментальные значения. Для прямого смещения функциональная зависимость f1(I) в области малых токов, как правило, линейна и сублинейна в области больших токов [6]. На Фиг.13 показаны примеры получаемых зависимостей для прямого смещения, где 20 - соответствует сигналам фотодиода (1), а 21 - линейная аппроксимирующая зависимость вида . То же повторяют для фотодиода (1) (и для функции ), подключенного к генератору, как показано на Фиг.4.
1
2
2
Далее проводят измерения с реальным объектом, при этом повторяют все процедуры, описанные выше; результаты измерений обозначены цифрой 22 на Фиг.13. Искомые значения сигналов фотодиодов для вычисления характеристик измеряемого объекта (f(0), f(0)) находят путем аппроксимации функции  (обозначена цифрой 23) в точку I→0, как показано на Фиг.13.
1
2
1
2
Использование смещения на фотодиодах позволяет создавать потоки излучения, во много раз превосходящие потоки от реального объекта, поэтому значения сигналов во много раз превосходят шумы, а аппроксимирующая функция более точно определяет значение в области I, =0, чем простое измерение сигнала в точке I,=0. Этим достигается повышение точности определения характеристик объекта, например, его температуры.
Описанная выше процедура (идеология измерений) не является единственно возможной, так, например, при необходимости для корректировок фотометра можно включить в его базу данных двумерную матрицу или поверхность, ордината которой соответствует величине сигнала , зависящей от двух параметров - от тока и температуры (t) фотодиодов:  Существуют и другие алгоритмы обработки данных, которые во многом зависят от свойств конкретных фотодиодов, использованных в фотометре.
При большем количестве фотодиодов (см. Фиг.3) процесс измерений аналогичен вышеописанному.
17
27
114
214
1
2
При добавлении к конструкции фотометра калибровочного светодиода (14) (Фиг.9, 9) появляются дополнительные процедуры регистрации сигналов, получаемые при его активации. Обычно фотодиоды характеризуются широким динамическим диапазоном, т.е. сохраняют линейность ампер-ваттной (I - L) характеристики вплоть до больших уровней возбуждения (больших значений L). Учитывая это, для области больших токов, когда поток излучения от светодиода  в спектральных полосах 1 и 2, попадающий на фотодиоды 1 и 2, многократно превышает поток излучения от измеряемого объекта , запишем значения сигналов U, U, U, U для фотодиодов, имеющих чувствительности S, S, в следующем виде (здесь и далее - индексы 1, 2, 7, 14 не являются показателями степени):
xxx
где U - значения измеряемых сигналов, например фототоков (первый индекс означает номер фотодиода, второй (и третий) - номер источника излучения (7 - измеряемый объект, 14 - светодиод), а, b, с, d, - коэффициенты передачи оптической системы. Верхние индексы обозначают спектральную область измерения узкополосных фотодиодов или фотодиодов, снабженных узкополосными фильтрами.
Нетрудно видеть, что искомое отношение потоков излучения в двух спектральных областях  необходимое и достаточное для вычисления температуры с использованием закона Планка, модифицированного для узких спектральных участков, определяется из соотношения типа:
а
а
1
2
1
14
2
2
14
1
Одним из замечательных свойств правильно сконструированных светодиодов, например моделей LED33Sr/Su, LED43Sr/Su, является независимость спектра излучения от тока в широком диапазоне его значений, а также стабильность характеристик спектра излучения во времени. Это позволяет считать, что  Нетрудно видеть, что это позволяет получать в заявляемом устройстве расчетное отношение потоков излучения измеряемого объекта, не зависящее от чувствительности фотодиодов и тока, через калибровочный светодиод (13). Таким образом, при неизменности коэффициентов передачи оптической системы , b, с, d, от изменения условий измерения и времени последние могут определяться, например, на этапе подготовки измерений. При этом ожидается, что результат измерений не зависит от вариаций чувствительности S, S. Естественно, что для реализации такого способа измерений оптимально, чтобы максимум спектра излучения светодиода имел значение вблизи среднего значения максимумов спектральной чувствительности фотодиодов или их рабочих диапазонов измерений: λ>λ>λ или λ>λ>λ. Указанная процедура не исключает, а дополняет все иные калибровки при активации инжекционного излучения фотодиодов, предусмотренные выше. Для проверки неизменности коэффициентов передачи оптической системы , b, с, d может применяться также и дополнительный светодиод, например, расположенный в области измеряемого объекта (поз. 15 на Фиг.10).
Если условие  по каким-то причинам не может быть выполнено, то для калибровки потребуется использование затвора(ов), перекрывающего(их) поток от измеряемого объекта. В этом случае можно добиться условия  ( - интенсивность излучения от затвора, перекрывающего поток излучения от измеряемого объекта) и проводить калибровку аналогично описанному выше.
Описанные выше процедуры не исключают возможности использования всех других известных способов работы фотометра, обеспечивающих высокую точность измерений, например контроля температуры фотодиодов за счет регулирования протекающего через них тока аналогично [4]. В предлагаемом фотометре в качестве параметра для регулирования/учета температуры можно использовать значение динамического сопротивления фотодиодов. При этом стабилизацию температуры фотодиодов можно осуществлять и с помощью «внешнего» охлаждения/нагрева с помощью термоэлектрических охладителей (ТЭО, модели фотодиодов, содержащие аббревиатуру «ТЕС»).
Следует заметить, что для нагрева фотодиодов, например иммерсионных фотодиодов, выпускаемых ООО «ИоффеЛЕД», проходящим через них током уровень оптических и соответственно электрических сигналов из-за высокой эффективности преобразования может выйти за рамки динамического диапазона усилителей, поэтому целесообразно в моменты, соответствующие термостабилизации, отключать фотодиоды от блока регистрации и обработки.
Пример реализации
1
2
1,2
1,2
Опытный образец фотометра для низкотемпературной пирометрии был собран на дискретных фотодиодах PD42Su (1) и PD34Su (2) [7] в соответствии с оптической схемой, изображенной на Фиг.8. Максимумы спектральных характеристик указанных фотодиодов лежат в области длин волн λ=4200 нм и λ=3400 нм. Спектральный диапазон чувствительности, определяемый на уровне 0.5, составляет величину Δλ≈0.1λ, что позволяет рассматривать их как «квазимонохроматические» детекторы излучения. Фотодиоды выполнены с активной областью на основе прямозонных полупроводников с поперечным размером мезы ~0.3 мм и снабжены иммерсионными линзами диаметром 3 мм, что обеспечивает наилучшие условия для получения высоких значений отношения сигнал/шум при измерениях низких температур. В качестве фокусирующей линзы фотометра (8) была использована Sapphire PCX Lens диаметром D=25.4 мм и фокусным расстоянием F=50.8 мм (числовая апертура NA=0.25), что обеспечивает возможность исследования объекта с линейными размерами ≥15 мм на расстоянии порядка 30 см при его быстром разогреве и неизвестной (изменяющейся при нагреве) излучательной способности ε. Светоделитель (12) выполнен на основе кремниевой пластины толщиной 400 мкм, установленной под углом 45°, что обеспечивало деление потока теплового излучения, поступающего от объекта, в соотношении 1:1.5, причем большая часть потока направлялась на PD34SU (2), т.к. интенсивность теплового излучения в этой спектральной области меньше, чем для более длинноволного фотодиода PD42Su (1). Вогнутый отражатель (13) выполнен в виде сферического зеркала диаметром D=25.4 мм и радиусом кривизны R, обеспечивающим фокусировку люминесцентного излучения фотодиодов, исходящего от фотодиода PD42Su (1) и детектируемого PD34Su (2), и, наоборот, исходящего от фотодиода PD34Su (2) и детектируемого PD42Su (1) в режиме (само)калибровки фотометра.
noice
noese
5
Аналоговая часть схемы детектирования и усиления сигналов фотодиодов (3 и 9) выполнена на прецизионных малошумящих операционных усилителях ISL28190 фирмы Intersil, обладающих низкими уровнями шумов по напряжению и току (e=1 нВ/√Гц i=2.1пА/√Гц). Регистрация тока фотодиодов осуществлялась в полосе 30 кГц (соответствует быстродействию фотометра не хуже 30 мкс) с коэффициентами преобразования ток - напряжения K=(3-5)-10 В/А. Коммутатор (4) выполнен с использованием одиночных SPDT×l переключателей типа ADG419L.
Цифровая часть фотометра, включающая управление коммутатором (4), схему программируемого источника напряжения (тока) (6) и схемы обработки сигналов фотодиодов (5) и блок передачи (11) осуществлена на Evaluation Board EVAL-ADuC 7026QS фирмы Analog Device [11]. Микроконтроллер ADuC 7026 представляет собой законченную интегральную систему сбора данных, разработанную для промышленных систем управления и автоматизации, smart-сенсоров, оптических сетей и т.п. Она включает высокопроизводительный микропроцессор ARM7TDMI, многоканальный АЦП (12 бит, частота выборок до 1 МГц), встроенную память, 4 выхода ЦАП, последовательный UART порт.
Программируемый источник напряжения (тока) (6), реализованный на микропроцессоре и одном из выходов ЦАП, позволял формировать как последовательности прямоугольных импульсов управляющего напряжения (тока) фотодиода с регулируемой скважностью и частотой следования, так и обеспечивать режим линейно изменяющегося люминесцентного излучения фотодиода при линейном изменении управляющего тока в диапазоне 0-500 мА. Микропроцессор также осуществлял расчет температуры по заданным аналитическим выражениям (формулы «зашиваются» в микропроцессор через интерфейс RS232) с коэффициентами, определяемыми в процессе градуировки и калибровки, передачу расчетных значений температуры на цифровой выход - последовательный UART порт. Скорость передачи 115200 бит/сек. Уровни сигнала на линиях TXD и RXD 3,3 В. Информация передается в виде беззнакового целого числа (unsigned int), которое содержит 14 значащих бит, от 0 до 0x3FFF (hex), или от 0 до 16383 (decimal), и представляет собой значения температуры в градусах Цельсия с точностью до 0.1°C, умноженную на 10. В таком формате можно передавать значения температуры от 0°C до 1638.3°C.
Дополнительные микропроцессоры ATTiny фирмы ATMEL осуществляли управление термоэлектрическими охладителями Пельтье (ТЭО), являющимися элементами конструкции фотодиодов. При экспериментальных исследованиях температура фотодиодов стабилизировалась на уровне (20±2)°C и поддерживалась с точностью ±0.1°C, что позволяет обеспечить стабильность спектральных характеристик фотодиодов (значений) при минимальном энергопотреблении ТЭО.
1,2
c
1,2
c
Первоначальная градуировки фотометра, предназначенного для его использования в составе пирометра, осуществлялась традиционным способом с помощью калиброванного источника теплового излучения - модели абсолютно черного тела (АЧТ). Градуировка фотометра, используемого в качестве пирометра, заключается в установлении функциональной связи «температура АЧТ→ток фотодиода» через параметры оптической схемы и фотодиода (точные значения коэффициента преобразования A/Bт и значений λ). Как нами было показано ранее [12], квазимонохроматический фотодиодный пирометр допускает аналитическое описание его работы с помощью передаточной функции и обеспечивает возможность его периодической калибровки (уточнение коэффициента пропорциональности в передаточной функции) по одной «калибровочной температурной точке T». С учетом процедуры калибровки, заключающейся в определении токов фотодиодов (Ic), соответствующих выбранной температуре калибровки (T), выражение для расчета температуры в микроконтроллере для каждого из измерительных каналов пирометра имеет вид:
Инструментальная погрешность измерения температуры связана с отношением сигнал/шум в измеряемом сигнале следующим соотношением:
1,2
где λ - параметр фотодиода, определяемый при градуировке и являющийся неизменным при выбранной рабочей температуре его схемы термостабилизации,
2
С=14388 мкм, K - постоянная Планка,
фД1,2
I - измеряемые значения токов фотодиодов, пропорциональные регистрируемому потоку теплового излучения.
c
В заявляемом техническом решении калибровка фотометра осуществляется периодически в процессе работы с использованием калибровочного потока люминесцентного излучения прямозонных фотодиодов, определяемого заданным значением управляющего тока и температуре фотодиода, и соответствующего некоторой «калибровочной температурной точке T».
1
2
Экспериментально полученные значения дисперсии сигналов фотодиодов при указанном быстродействии (шумов фотометра в полосе 30 кГц) составили величину порядка 1 nA для PD34Su(2) и 3.5 nA для PD42Su (1). Вместе с экспериментально полученными значениями сигналов фотометра при регистрации теплового излучения объекта (7), находящегося при температуре порядка 100-150°C, были получены следующие значения отношения сигнал/шум для каждого из каналов фотометра: Ψ=250-650 и Ψ=200-1000.
Таким образом, доказано, что заявляемый фотометр при высоком быстродействии (не менее 1000 отсчетов в секунду) обеспечивает низкотемпературные измерения в области 50-250°C с высокой точностью - не хуже 1°C - при высокой надежности и воспроизводимости результатов, обеспечиваемых двухканальной схемой измерения и (само)калибровкой с использованием периодической коммутации подключения прямозонных фотодиодов к схемам детектирования и усиления фототока или управляемого источника напряжения (тока) для формирования ими при этом калибровочных потоков люминесцентного излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А., Сотникова Г.Ю., Черных Д.Ф., Алексеев А.Н., Дудина. Л., Коган И.В., Шкурко А.П.Устройство пирометрического контроля температуры подложки GaAs для установки молекулярно-лучевой эпитаксии. ЖТФ, 2004, т. 74, вып. 1, 213-127.
2. С.С.Сергеев. ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ, Заявка 2005116755/28, 01.06.2005.
3. С.С.Сергеев. ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ. Заявка 2007101093/28, 09.01.2007.
4. С.С.Сергеев. Двухканальный пирометр. Патент РФ №2008119722, Заявка 2008119722/28, кл. G01J 5/00, 19.05.2008.
5. Boris Matveev, Nonna Zotova, Natalya ll'inskaya, Sergey Karandashev, Maxim Remennyi, Nicolay Stus', Anatoly Kovchavtsev, Georgii Kuryshev, Vladimir Polovinkin, Natalya Tarakanova "3.3 urn high brightness LEDs"(paper # 0891-EE01-04), Progress in Semiconductor Materials V - Novel Materials and Electronic and Optoelectronic Applications, MRS Proceedings Volume 891, Editors: L.J.Olafsen, R.M.Biefeld, M.C.Wanke, A.W.Saxler
6. H.B. Зотова, Н.Д.Ильинская, C.A.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А. Ременный, Н.М.Стусь. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор). ФТП, 42, №6, 641-657, (2008).
7. Каталог продукции www.ioffeled.com.
8. В.И.Иванов-Омский, Б.А.Матвеев. Отрицательная люминесценция и приборы на ее основе (обзор), ФТП, 2007, т. 41, вып. 3, 257-268.
9. Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин. Твердые растворы InGaAsSb на основе InAs, легированные гадолинием, для светодиодов в спектральной области 3-5 мкм. ФТП, т. 33 (1999), вып.8, стр.1010-1014.
10. Boris A. Matveev, Nonna V. Zotova,, Natalia D. ll'inskaya, Sergey A. Karandashov, Maxim A. Remennyi, Nikolai M. Stus', Georgii N. Talalakin, "Radiation Source", US patent #6 876 006 from 5 April 2005.
11. www.analog.com.
12. Aleksandrov S.E., Gavrilov G.A., Sotnikova G.Yu. "A3B5 photodiode sensors for low-temperature pyrometry", Proc. SPIE vol.8073, 80731A-1-9 (2011).