3.5. Преобразователи поляризационных характеристик и параметров

3. 5. Преобразователи поляризационных характеристик и параметров

Для определения типа поляризации, а также для измерения поляризаци­онных параметров излучение исследуют с помощью поляризаторов (анали­заторов) и фазовых пластин. Оптический элемент, позволяющий выделить из деполяризованного излучения линейно поляризованное, называется поляризатором. Если поляризатор используется для измерения поляризационных параметров излучения, то он называется анализатором. Поляризатор (анализатор) может быть полным (100%-ным) и частичным.

 

Рис. 3. 7. Полоса пропускания ИК ЖК филь­тра, перестраиваемого в пределах Л от 1, 0 до 1, 65 мкм (FWHM=10 нм)

 

фазовой пластиной называется оптическое устройство, которое обеспечи­вает разный набег фазы для двух собственных (обычно ортогональных) со­стояний поряризации. Наиболее часто применяются четвертьволновые ( ) и полуволновые ( ) фазовые пластины.

В технике поляризационных измерений используется весьма большое ко­личество поляризаторов и фазовых пластин, отличающихся принципом дей­ствия, материалом, конструкцией и другими характеристиками. Тип поляри­затора и фазовой пластины выбирают, учитывая область спектра и диапазон интенсивностей излучения, геометрические размеры пучка, требуемую точ­ность измерения, габариты измерительной установки и т. д. Подробнее методы и средства поляризационных измерений описаны в пятой части книги.

 

Глава 4 ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ОЭИП)

4. 1. Общие сведения

Ранее мы предварительно познакомились с той ролью, которую играет ОЭИП в цепочке измерительных преобразований входной оптической вели­чины. Здесь необходимо обратить особое внимание на то обстоятельство, что, в отличие от ОИП, выступающего, как правило, в роли своеобразного «оптического трансформатора», согласующего параметры потока излучения с входными параметрами ОЭИП и за небольшими исключениями не несущего существенной «метрологической нагрузки», ОЭИП является, по существу, основным элементом средства оптической радиометрии, от которого зависят не только точность получаемого результата, но и ряд других свойств и па­раметров СИ, обеспечивающих эффективность и качество измерительного процесса. Поэтому ОЭИП требуют более детального, чем ОП и ОИП, рассмот­рения, чему и посвящена настоящая глава.

Существует несколько отличных друг от друга, по принципу преобразо­вания входной величины в выходную величину, групп и подгрупп преобра­зователей оптических величин в неоптические величины, но далеко не все из них находят применение в оптической радиометрии в качестве ОЭИП. Некоторые виды преобразователей служат сенсорами (т. е. просто чувстви­тельными элементами) или детекторами в системах обнаружения и оценки слабых сигналов, зачастую на уровнях (и даже ниже) пороговых значений. Все большее распространение получают многоканальные и координатно-чувстви-тельные преобразователи как в системах обнаружения оптических сигналов, так и в устройствах передачи и обработки двух- и трехмерных оптических изображений. В рассматриваемых в данной книге средствах оптической ра­диометрии подобные ОЭИП также широко распространены при измерениях энергетических и особенно пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения.

При выборе преобразователя по назначению приходится учитывать ра­бочий (иногда и более широкий динамический) диапазон по интенсивности входного оптического сигнала, характеризующего измеряемый объект, спек­тральный состав падающего излучения, его пространственное распределение, ширину полосы частот, скорость изменения интенсивности во времени, состоя­ние поляризации и даже в некоторых применениях степень пространственной и/или временной когерентности.

Тем не менее, в оптической радиометрии как в области измерений на­шли применения всего несколько разновидностей ОЭИП, на которых и будет сосредоточено наше внимание в данной главе. Однако необходимо помнить десятилетиями проверенное правило: то направление восприятия и преобра­зования оптических величин, которое до определенной поры считалось познанательным, исследовательским, требующим лишь простого детектирования лучистых потоков, со временем становилось одним из видов или подвидов оптической радиометрии, т. е. обычный приемник оптического излучения до­рабатывался до уровня требований, предъявляемых к ОЭИП, подвергался калибровке и обеспечивал получение не только качественной, но и количе­ственной информации об измеряемом объекте с гарантированной точностью.

Заранее можно констатировать, что практически все применяемые в оп­тической радиометрии и в системах детектирования оптических сигналов преобразователи оптических величин делятся на тепловые и фотонные. Они обладают двумя общими классификационными свойствами, которые присущи ОЭИП как тепловой, так и фотонной групп, и являются их существенными отличительными признаками. К ним относятся избирательность и инерцион­ность.

Для многих измерительных задач важно различие между селективными и неселективными ОЭИП [20]. У селективных ОЭИП чувствительность или характеристика преобразования к воспринимаемому излучению зависит от его длины волны. В противном случае ОЭИП считается неселективным, хо­тя идеально неселективных ОЭИП в природе не существует. В дальнейшем мы убедимся в том, что степень селективности реального неселективного ОЭИП может быть, при принятии надлежащих конструктивных и технологических мер, доведена до учитываемого и даже пренебрежимо малого уровня.

Инерционность ОЭИП предопределяет его быстродействие и, следователь­но, возможность измерительного преобразования изменяющихся во времени сигналов с оцениваемой точностью. Этот параметр в виде постоянной вре­мени или соответствующая характеристика отклика ОЭИП на переменный оптический сигнал предопределяет построение последующей электронной из­мерительной цепи, назначение которой — по возможности неискаженные ре­гистрация, обработка и отображение количественной информации об объекте.

Перейдем к рассмотрению параметров и характеристик в первую очередь ОЭИП, а также детекторов в метрологическом толковании этого термина [25]:

а) устройство или вещество для обнаружения и преобразования энергии и физического поля (излучения) в другой вид энергии, удобный для индика­ции, последующей регистрации и измерения;

б) чувствительный элемент или ИП измерительного прибора.

Как видим, определение б) совпадает с нашим пониманием ОЭИП приме­нительно к оптической радиометрии.

Важнейшей характеристикой любого ОЭИП является зависимость выход­ной величины, отображающей реакцию преобразователя (например, электри­ческий ток или напряжение), от воспринимаемой им входной световой (фото­метрия) или энергетической (радиометрия) величины, именуемая световой характеристикой (фотометрия) или характеристикой преобразования (как фотометрия, так и радиометрия).

Параметр ОЭИП, отображающий реакцию преобразователя в окрестности Данной точки характеристики на небольшое приращение входной величины, именуется коэффициентом преобразования или чувствительно­стью.

Если световая характеристика или характеристика преобразования ли­нейны в рабочем диапазоне интенсивностей, то . Для решения измерительных задач обычно стараются подобрать ОЭИП с линейной характеристикой, но это не всегда удается. Тогда у ОЭИП с нелинейной харак­теристикой под К_пр понимают ее наклон, т. е. производную в данной точке характеристики выходной величины по входной.

Следует заметить, что при измерениях потока излучения или производ­ных от него величин, когда не требуется учитывать спектральный состав лучистого потока, характеристику и коэффициент преобразования нередко именуют интегральными. При необходимости выполнения измерений свето­вых или радиационных потоков излучения с учетом их спектрального состава и использования селективных ОЭИП пользуются спектральными коэффици­ентами и характеристиками преобразования.

Отклик ОЭИП на поток монохроматического излучения называется спек­тральным :

 

 или

где — выходной ток (выходная величина ОЭИП);  — входной монохро­матический поток излучения.

Примечание. В научно-технической литературе широко распростра­нены тюнятия интегральной (s) и спектральной чувствительностей приемников (детекторов) оптического излучения. Принято термины «коэф­фициент преобразования» и «чувствительность» считать синонимами. Одна­ко мы будем придерживаться другой точки зрения: понятие чувствительности больше подходит к детекторам, работающим в режиме обнаружения слабых, близких к пороговым сигналов.

Абсолютной спектральной характеристикой преобразования ОЭИП является зависимость спектрального  от длины волны λ излучения .

Относительной спектральной характеристикой преобразования ОЭИП является зависимость спектрального , отнесенного к максималь­ному значению, от длины волны λ излучения .

Постоянная времени ОЭИП — величина, характеризующая скорость увеличения или уменьшения сигналов (обычно в е раз), изменяющихся по экс­поненциальному закону. При описании параметров и характеристик реклами­руемых ОЭИП и детекторов иногда приводят время нарастания переходной характеристики или полную длительность на пелувысоте от максимума импульсной переходной характеристики. Однако чаще эти временные характеристики используют для описания динамических свойств не отдельно ОЭИП, а в целом средств измерений величин, характеризующих протекающие во времени процессы.

Зонная характеристика ОЭИП отображает распределение К_пр по приемной поверхности его чувствительного элемента. Непостоянство К_пр, свойственное многим ОЭИП как тепловой, так и фотонной групп, необходимо учитывать, поскольку в процессе градуировки и последующих измерений рас­пределения интенсивностей в поперечных сечениях падающих пучков, сами сечения, положения их энергетических центров (диаграмм направленности излучения) могут отличаться.

Мы перечислили и предварительно рассмотрели основные, обычно норми­руемые параметры и характеристики ОЭИП, считающиеся метрологически­ми, т. е. предопределяющими качество измерений. Остановимся теперь на специфических параметрах фотонных детекторов, которым нередко приходится работать в схемах обнаружения и обработки слабых и сверхслабых оптических сигналов. В ОЭИП обеих групп (тепловой и фотонной) эти параметры играют второстепенную роль, поскольку, как правило, рассматриваемые преобразо­ватели работают в режимах значительного превышения полезным сигналом порога чувствительности, определяемого наименьшим изменением изме­ряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала СИ [26]. В детекторах же, главным образом фотонной группы и специальных тепловых, предназначенных для работы в режиме обнаружения сигналов на уровне и даже ниже порога чувствительности, эти параметры не только специфицируются, но и нормируются.

Одним из главных и наиболее характерных параметров является отноше­ние сигнал—шум (С/Ш), т. е. отношение величин, характеризующих полез­ный сигнал и аддитивный шум в виде значений средних мощностей, амплитуд и т. д. [25].

Важнейшим параметром, характеризующим детекторы фотонной группы, именуемые в дальнейшем фотодетекторами, являются квантовый выход (KB) (иногдаупотребляется термин «эффективный KB»). Под KB понимается вероятность того, что падающий фотон породит ощутимый носитель заряда. Измеряется KB в относительных единицах (от 0 до 1) или в процентах (от О до 100%). Даже для наиболее чувствительных фотодетекторов KB < 1.

Фотонный шум порождается случайным попаданием фотонов на при­емную площадку фотодетектора. В силу стохастичности процесса количество попавших на нее фотонов в течение заданного временного интервала флук­туирует вокруг среднего значения, а дисперсия зависит от природы излуча­теля: для когерентного (лазерного) излучения характерно пуассоновское рас­пределение, а планковскому излучателю соответствует распределение Бозе-Эйнштейна. Поэтому тепловые источники излучения «шумливее» лазерных.

Фоновый шум порождается излучением сторонних источников, попада­ющим в поле зрения фотодетектора. Ограничение поля зрения является одним из эффективных путей снижения уровня фонового шума.

Темновой ток — это стохастически флуктуирующий ток, протекающий в фотодетекторе в отсутствие падающего излучения. Он обычно возникает в результате теплового возбуждения носителей заряда внутри фотодетектора и может быть ослаблен охлаждением последнего (часто до криогенных тем­ператур).

Джонсоновский (Найквиста) шум обусловлен флуктуирующим на­пряжением или током, вызванными случайными тепловыми движениями но­сителей зарядов в резистивной среде. Снижение уровня шума достигается охлаждением среды или уменьшением ее сопротивления.

Дробовой (Шотки) шум возникает при протекании тока по фотодетек-тору или по электрической цепи, в которую он включен. Порождается слу­чайным появлением носителей зарядов в любой данной точке внутри схемы. Число проходящих носителей заряда флуктуирует вокруг среднего значения.

Генерационно-рекомбинационный шум возникает по причине слу­чайных вариаций скоростей генерации и рекомбинации свободных носителей заряда внутри фотодетектора. Этот источник шума доминирует в квантовых фоторезисторах в полосе электронных частот от 1 кГц до 1 МГц.

Шум внутреннего усиления вызван флуктуациями коэффициента внутреннего усиления таких фотодетекторов, как микроканальные пластины (МКП), лавинные фотодиоды (ЛФД) и фоторезисторы (ФР).

Примечание. Коэффициентом внутреннего усиления называется отно­шение числа электронно-дырочных пар, генерированных падающим потоком, к энергетическому или фотонному параметру последнего.

Температурный шум -— это шум фотодетектора, порожденный вари­ациями температуры, вызванными сторонними (но не детектируемым или измеряемым! ) источниками энергии.

Примечание. Строго говоря, температурный шум является характе­ристикой не столько фотонных, сколько специальных тепловых детекторов (например, тонкопленочных болометров).

Классификация шумов и вышеприведенные определения позволяют завер­шить этот параграф тремя важнейшими параметрами, характеризующими фотодетекторы в режиме пороговых измерений. К ним относится, во-первых, шумовая эквивалентная мощность (Noise Equivalent Power — NEP), т. е. оптическая мощность в ваттах, требуемая для генерирования фототока при отношении С/Ш = 1 и отнесенная к чувствительности фотодетектора, а именно , где — среднее квадратическое значение шумового тока или напряжения. Поскольку NEP определяет минимальный обнаруживаемый сигнал, то его можно назвать порогом чувствительности фотодетектора, метрологическое определение которого дано ранее. Это означает, что полез­ные сигналы с уровнем ниже порога чувствительности принципиально нельзя обнаружить методом прямого детектирования, и следует применять специ­альные методы, описание которых выходит за рамки книги. Во-вторых, ве­личина, обратная NEP, т. е. D = 1/NEP, именуется обнаружительной спо­собностью фотодетектора, но в спецификациях на эти приборы указывается и обычно нормируется третий параметр — удельная обнаружительная способность.

где А — активная площадь приемной поверхности фотодетектора, Δ f — полоса электронных частот.

Перейдем к рассмотрению принципов построения и отличительных осо­бенностей ОЭИП тепловой и фотонной групп, т. е. последовательно в каждой из обеих групп ОЭИП опишем принцип действия и классифицируем преобра­зователи по характерным признакам, отметим их достоинства и недостатки, которые следует учитывать при решении измерительных задач.

Более детально различные ОЭИП вместе с их схемами включения в соот­ветствующие средства оптической радиометрии будут описаны в дальнейших разделах, где рассматриваются методы и средства измерений, применяемые в фотометрии, радиометрии, лазерометрии, а также при создании и эксплуа­тации эталонов в этих видах и подвидах измерений.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: