Способ измерения световой характеристики фотоприемника и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано для измерения световых характеристик фотоприемников. Сущность изобретения: модулированный световой поток замещают итеративно на каждом шаге источником потока смещения, создающим на выходе фотоприемника сигнал, равный сумме сигналов, создаваемых источником потока смещения на предыдущем шаге итерации и модулированным источником постоянного светового потока, что позволяет перемещать рабочую точку фотоприемника вправо по оси светового потока на величину, равную величине потока от модулированного источника постоянного светового потока, затем на следующем шаге модулированный световой поток возобновляют и замещают уже световой поток, равный следующей сумме потоков, после чего процесс повторяют многократно, при этом на каждом шаге итерации искомую точку световой характеристики определяют как сумму реакций фотоприемника на световой поток от модулированного источника постоянного светового потока при кратной ему величине потока от источника потока смещения. Устройство измерения световой характеристики фотоприемника содержит модулированный источник 14 постоянного светового потока, источник 15 потока смещения, фотоприемник 1, сумматор 2, усилитель 3 сигнала фотоприемника, устройство 7 интегрирования-хранения, первый и второй аналоговые ключи 4 и 5, первый и второй буферные каскады 12 и 13, селектор 8 аналогового сигнала, устройство 6 хранения, цифроаналоговый преобразователь 11, аналогово-цифровой преобразователь 9 и микропроцессор 10. Техническим результатом является повышение точности измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано для измерения световых характеристик фотоприемников.

Известен способ измерения световой характеристики фотоприбора, по которому измерение характеристики исследуемого фотоприбора осуществляют путем сравнения с характеристикой контрольного фотоприбора (Фотоэлектронные приборы, М. Энергия, 1965, с. 375).

Недостатком аналога является сложность и невысокая точность измерений.

Известно также устройство для измерения световой характеристики фотоприборов за один импульс света, содержащее источник света, источник линейно-нарастающего напряжения и блок регистрации (Импульсная фотометрия, Л., Машиностроение, 1969, с.6).

Недостатком аналога также является невысокая точность измерений из-за того, что не учитывается характеристика источника света.

Кроме того, известно устройство для измерения световой характеристики фотоприбора (А.с. СССР N 528526, Мкл.² G 01 T 1/17, опубл. 1976 г.), содержащее источник света, источник линейно-нарастающего напряжения и блок регистрации, блок линеаризации световыхода, при этом в качестве источника линейно-нарастающего напряжения использован генератор линейно-нарастающего напряжения, один выход которого соединен через блок линеаризации световыхода с источником света, а другой - с блоком регистрации.

Недостатком аналога является необходимость измерения характеристики источника света для ее линеаризации, что также требует дополнительной постановки эксперимента на эталонном оборудовании с последующей настройкой блока линеаризации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ измерения световой характеристики фотоприемника (М. М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л. "Машиностроение". 1977. С.277- 278), по которому на фотоприемник воздействуют модулированным световым потоком от первого черного тела и немодулированным световым потоком от второго черного тела для смещения рабочей точки фотоприемника. Сигнал, вырабатываемый фотоприемником, регистрируют прибором, измеряющим действующее значение первой гармоники, по величине которой определяют дифференциальную чувствительность.

Недостатком способа-прототипа является то, что вместо получения полной статической характеристики оперируют косвенным параметром - крутизной преобразования (чувствительностью), что в конечном итоге не обеспечивает высокую точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является также устройство, реализующее способ (М.М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л. "Машиностроение". 1977. с. 277-278), содержащее первую и вторую модели абсолютно черного тела, синусоидальный механический модулятор потока излучения от первой модели абсолютно черного тела, исследуемый фотоприемник, усилитель сигнала фотоприемника, регистратор действующего значения первой гармоники.

Недостатком прототипа устройства является необходимость использования специализированного оборудования, в частности модели черного тела и синусоидального механического модулятора потока излучения.

Задача изобретения - повышение точности измерения световой характеристики.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения световой характеристики фотоприемника, по которому на фотоприемник воздействуют модулированным световым потоком, а с помощью немодулированного светового потока задают рабочую точку фотоприемника, в отличие от прототипа модулированный световой поток замещают итеративно на каждом шаге потоком источника потока смещения, создающим на выходе фотоприемника сигнал, равный сумме сигналов, создаваемых источником потока смещения на предыдущем шаге итерации и модулированным источником постоянного светового потока, что позволяет перемещать рабочую точку фотоприемника вправо по оси светового потока на величину, равную величине потока от модулированного источника постоянного светового потока, затем на следующем шаге модулированный световой поток возобновляют и замещают уже световой поток, равный следующей сумме потоков, после чего процесс повторяют многократно, при этом на каждом шаге итерации искомую точку световой характеристики определяют как сумму реакций фотоприемника на световой поток от модулированного источника постоянного светового потока при кратной ему величине потока от источника потока смещения.

Поставленная задача достигается также устройством для измерения световой характеристики фотоприемника, содержащим модулированный источник постоянного светового потока, усилитель сигнала фотоприемника, регистратор, источник потока смещения, фотоприемник, в котором в отличие от прототипа введены сумматор, устройство интегрирования-хранения, первый и второй аналоговые ключи, первый и второй буферные каскады, селектор аналогового сигнала, устройство хранения, цифроаналоговый преобразователь, а в качестве регистратора использованы аналогово-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом выход фотоприемника соединен с первым входом сумматора, который подключен к усилителю сигналов фотоприемника, связанного с первым и вторым аналоговыми ключами, причем выход первого ключа соединен с устройством хранения, а выход второго ключа соединен с устройством интегрирования-хранения, выход которого подключен ко второму входу сумматора и ко второму входу селектора аналогового сигнала, первый вход которого соединен с выходом устройства хранения, а выход селектора аналогового сигнала соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, который связан со входом микропроцессора, первый выход которого соединен с третьим входом селектора аналогового сигнала, второй выход его связан с первым аналоговым ключом, третий выход его связан со вторым аналоговым ключом, четвертый его выход связан с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен ко входу первого буферного каскада, пятый выход микропроцессора связан со входом второго буферного каскада, выход которого связан с модулированным источником постоянного светового потока, выход первого буферного каскада соединен с источником потока смещения, при этом модулированный источник постоянного светового потока и источник потока смещения оптически связаны с фотоприемником.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства.

Устройство измерения световой характеристики фотоприемника содержит модулированный источник постоянного светового потока, усилитель сигнала фотоприемника, регистратор, источник потока смещения, фотоприемник, в котором введены сумматор, устройство интегрирования-хранения, первый и второй аналоговые ключи, первый и второй буферные каскады, селектор аналогового сигнала, устройство хранения, цифроаналоговый преобразователь, а в качестве регистратора использован аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом выход фотоприемника 1 соединен с первым входом сумматора 2, который подключен к усилителю сигнала фотоприемника 3, связанного с первым 4 и вторым 5 аналоговыми ключами, причем выход первого ключа 4 соединен с устройством хранения 6, а выход второго ключа 5 соединен с устройством интегрирования-хранения 7, выход которого подключен ко второму входу сумматора 2 и ко второму входу селектора аналогового сигнала 8, первый вход которого соединен с выходом устройства хранения 6, а выход селектора аналогового сигнала 8 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 9, который связан со входом микропроцессора 10, первый выход которого соединен с третьим входом селектора аналогового сигнала 8, второй выход его связан с первым аналоговым ключом 4, третий выход его связан со вторым аналоговым ключом 5, четвертый его выход связан с входом цифроаналогового преобразователя 11, выход которого подключен ко входу первого буферного каскада 12, пятый выход микропроцессора 10 связан со входом второго буферного каскада 13, выход которого связан с модулированным источником постоянного светового потока 14, а выход первого буферного каскада 12 соединен с источником потока смещения 15, причем модулированный источник постоянного светового потока 14 и источник потока смещения 15 оптически связаны с фотоприемником 1.

Пример конкретной реализации способа.

В качестве фотоприемника 1 используют кремниевый фотодиод, а в качестве модулированного источника постоянного светового потока 14 используют светодиод, работающий в импульсном режиме со средним током 50 мА на частоте 1 кГц и скважностью 0,2, под действием которого фотодиод генерирует фототок величиной 0,2 - 0,5 мкА. При этом фотодиод работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

Роль сумматора выполняет дифференциальный вход операционного усилителя в усилителе сигнала фотоприемника 3, который вместе с аналоговыми ключами 4, 5 и устройством интегрирования-хранения 7 также работает на частоте 1 кГц и, по сути, представляет собой измерительный усилитель с периодической коррекцией нулевого уровня, в котором аналоговый ключ 4 включается с задержкой, равной 0.1 мс, после включения светодиода и выключается синхронно с ним, а аналоговый ключ 5 работает в противофазе со светодиодом.

Устройство хранения 6 представляет собой RC-цепь с постоянной времени, равной 15 мкс, и повторителем напряжения на операционном усилителе, а селектор аналогового сигнала 8 состоит из двух, работающих в противофазе аналоговых ключей.

В качестве источника потока смещения используют лампу накаливания, световой поток которой присутствует в виде напряжения от 0 до 10 В на выходе устройства интегрирования-хранения 7 и поступает в микропроцессор в цифровой форме посредством селектора аналогового сигнала 8 и двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя 9, за счет чего микропроцессор управляет током накала лампы с помощью шестнадцатиразрядного цифроаналогового преобразователя 11 и стабилизирует ее световой поток на заданном уровне.

Лампу накаливания используют со светофильтром на ту же длину волны, на которой работает светодиод, и для нее, соответственно, будет измерена световая характеристика фотодиода.

Полное время измерения световой характеристики составляет 10-15 секунд при количестве производимых итераций, равном 16, и определяется, главным образом, инерционностью лампы накаливания.

Устройство работает следующим образом.

Фотоприемник генерирует сигнал, который суммируется с отрицательным знаком с сигналом устройства интегрирования-хранения 7 с помощью сумматора 2 и поступает на усилитель сигнала фотоприемника 3. С помощью работающих в противофазе аналоговых ключей 4 и 5 усиленный разностный сигнал фотоприемника подается поочередно на устройство интегрирования-хранения 7 и на устройство хранения 6.

Когда аналоговый ключ 5 замкнут, а ключ 4 разомкнут, источник потока смещения 15 включен, а модулированный источник постоянного светового потока 14 выключен, в результате чего образуется петля отрицательной обратной связи через устройство интегрирования-хранения 7, работающего в режиме интегратора, за счет которой выходной сигнал усилителя сигнала фотоприемника 3 отрабатывается до нулевого уровня с астатической ошибкой, при этом на выходе устройства интегрирования-хранения 7 присутствует сигнал, соответствующий величине потока смещения Ф_см.

Когда источники световых потоков 14 и 15 включены одновременно, аналоговый ключ 4 замкнут, а ключ 5 разомкнут, разрывается петля отрицательной обратной связи, в результате чего устройство интегрирования-хранения 7 переводится в режим хранения и удерживает на входе сумматора 2 сигнал, соответствующий величине потока смещения Ф_см, в результате чего из сигнала фотоприемника, соответствующего сумме величин световых потоков Ф₀+Ф_см от источников 14 и 15 вычитается сигнал, соответствующий величине потока смещения Ф_см, и далее, усилитель сигнала фотоприемника 3 усиливает только сигнал, соответствующий величине потока Ф₀ от модулированного источника постоянного светового потока 14, который через замкнутый аналоговый ключ 4 запоминается устройством хранения 6.

Таким образом, на первом входе селектора аналогового сигнала 8 всегда присутствует сигнал, соответствующий величине потока Ф₀ от модулированного источника постоянного светового потока 14, а на втором входе селектора присутствует сигнал, соответствующий величине потока смещения Ф_см от источника потока смещения 15, которые по сигналу с выхода 1 микропроцессора 10 поочередно подаются на вход аналого-цифрового преобразователя 9, откуда в цифровой форме поступают в микропроцессор 10.

Микропроцессор с помощью цифроаналогового преобразователя 11 и первого буферного каскада 12 управляет величиной потока смещения Ф_см от источника потока смещения 15.

На первом шаге итерации модулированный источник постоянного светового потока 14 включен, а источник потока смещения 15 выключен. При этом на фотоприемник воздействует постоянный световой поток величиной Ф₀, которому соответствует величина сигнала на выходе фотоприемника N₁. На втором шаге источник 14 отключается и замещается источником потока смещения 15 величиной Ф_см, создающим на выходе фотоприемника сигнал N₂, равный величине N₁, в результате рабочая точка фотоприемника перемещается вправо по оси светового потока на величину Ф₀. На третьем шаге на фотоприемник одновременно воздействуют источники световых потоков 14 и 15, что вызывает появление на выходе фотоприемника уже суммарного сигнала N₁ + N₂, соответствующего величине потока 2Ф₀. Далее модулированный источник постоянного светового потока 14 отключается, а источник потока смещения 15 замещает уже удвоенный поток величиной 2Ф₀ и создает на выходе фотоприемника сигнал, равный сумме N₁+N₂, и т. д. Это позволяет двигаться по оси светового потока с фиксированным шагом Ф₀ независимо от характера нелинейности световой характеристики фотоприемника. При этом каждая точка световой характеристики фотоприемника определяется как сумма величин сигналов N₁+N₂+...+N_i, откладываемых по оси ординат, при кратном величине Ф₀ световом потоке i·Ф₀ откладываемом по оси абсцисс на i-м шаге.

Формула изобретения

1. Способ измерения световой характеристики фотоприемника, по которому на фотоприемник воздействуют модулированным световым потоком, а с помощью немодулированного светового потока задают рабочую точку фотоприемника, отличающийся тем, что модулированный световой поток замещают итеративно на каждом шаге потоком источника потока смещения, создающим на выходе фотоприемника сигнал, равный сумме сигналов, создаваемых источником потока смещения на предыдущем шаге итерации и модулированным источником постоянного светового потока, что позволяет перемещать рабочую точку фотоприемника вправо по оси светового потока на величину, равную величине потока от модулированного источника постоянного светового потока, затем на следующем шаге модулированный световой поток возобновляют и замещают уже световой поток, равный следующей сумме потоков, после чего процесс повторяют многократно, при этом на каждом шаге итерации искомую точку световой характеристики определяют как сумму реакций фотоприемника на световой поток от модулированного источника постоянного светового потока при кратной ему величине потока от источника потока смещения.

2. Устройство для измерения световой характеристики фотоприемника, содержащее модулированный источник постоянного светового потока, усилитель сигнала фотоприемника, регистратор, источник потока смещения, фотоприемник, отличающееся тем, что введены сумматор, устройство интегрирования-хранения, первый и второй аналоговые ключи, первый и второй буферные каскады, селектор аналогового сигнала, устройство хранения, цифроаналоговый преобразователь, а в качестве регистратора использованы аналогово-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом выход фотоприемника соединен с первым входом сумматора, который подключен к усилителю сигналов фотоприемника, связанного с первым и вторым аналоговыми ключами, причем выход первого ключа соединен с устройством хранения, а выход второго ключа - с устройством интегрирования-хранения, выход которого подключен к второму входу сумматора и к второму входу селектора аналогового сигнала, первый вход которого соединен с выходом устройства хранения, а выход селектора аналогового сигнала - с входом аналого-цифрового преобразователя, который связан с входом микропроцессора, первый выход которого соединен с третьим входом селектора аналогового сигнала, второй выход его - с первым аналоговым ключом, третий выход его - с вторым аналоговым ключом, четвертый его выход - с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу первого буферного каскада, пятый выход микропроцессора связан с входом второго буферного каскада, выход которого связан с модулированным источником постоянного светового потока, выход первого буферного каскада соединен с источником потока смещения, при этом модулированный источник постоянного светового потока и источник потока смещения оптически связаны с фотоприемником.

РИСУНКИ

Рисунок 1