eng
Выпуск #1/2014
В.Суханов, В.Забродский, П.Аруев, Е.Шерстнев, П.Втулкин, С.Марченко
Исследование характеристик фотоприемного устройства для денситометрического комплекса
Исследование характеристик фотоприемного устройства для денситометрического комплекса
Просмотры: 5074
Решение задач метрологического обеспечения измерений оптической плотности опирается на создание разных технических средств. Среди них – денситометрические комплексы и стандартные образцы оптической плотности материалов. Но сердцем этих устройств по-прежнему остается фотоприемное устройство.
Успехи измерительных технологий, базирующихся на оптических методах, во многом зависят от характеристик используемых в них систем детектирования сигналов. Системы детектирования для спектрофотометрии, пирометрии, вакуумметрии и иных подобных методов должны одновременно обладать высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном измерения и достаточной линейностью. Задача создания таких систем особенно актуальна для оптической денситометрии. Ее решением, как одним из важных направлений, занимаются ведущие в этой области организации и институты, разрабатывая в ряду других проектов способы совершенствования метрологического обеспечения средства измерений оптической плотности, меры для их калибровки.
Так, в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) разработано средство измерения оптической плотности в проходящем свете стандартных образцов SRM 1001 и SRM 1008, представляющих собой ступенчатые оптические ослабители на рентгеновской и фотографической пленке. Установка измерения оптической плотности позволяет определять диффузную оптическую плотность в диапазоне до 6 Б, при этом стандартная неопределенность равна 0,002 Б, расширенная неопределенность (при коэффициенте охвата k = 3) равна 0,006 Б [1–3]. В основе измерительного прибора – термостабилизированное фотоприемное устройство (ФПУ), состоящее из кремниевого фотодиода и предусилителя. ФПУ обеспечивает измерение оптического сигнала в диапазоне семи порядков величины, это и расширило диапазон измерений оптической плотности пропускания до 6 Б.
Немецкий Национальный Институт Метрологии (PTB) обладает волоконным денситометром [4], который обеспечивает измерения оптической плотности мер – спектрально нейтральных образцов вплоть до 6 Б, при этом расширенная неопределенность измерения плотности (при коэффициенте охвата k = 2) равна 0,006 Б.
Для исследования линейности ФПУ в составе эталонного отражательного спектрофотометра можно использовать метод двойной апертуры [5], или при измерении плотностей более 3 Б применить схему преобразования тока в напряжение с последующим его усилением [6]. В разработанном денситометре [6] достигнута абсолютная погрешность измерения оптической плотности менее ±0,005 Б.
Однако работы [1–6] страдают одним недостатком – в них отсутствует описание методов оценки основных параметров ФПУ – чувствительности, динамического диапазона и линейности. Но именно эти ключевые параметры определяют качество измерительных систем, в которые встраивают ФПУ.
Анализ ведущих публикаций [1–6] показал, что ФПУ, используемые для измерения визуальной диффузной оптической плотности с высокой точностью, были выполнены на основе кремниевого фотодиода и трансимпедансным усилителем, преобразующим ток фотодиода в выходное напряжение операционного усилителя. Переключение резисторов в обратной связи предусилителя обеспечивало динамический диапазон работы ФПУ.
В нашей работе в качестве системы детектирования денситометрического комплекса было использовано ФПУ, выполненное по схеме интегратора, а не трансимпедансного усилителя. Исследуемое ФПУ состояло из спектрофотометрического детектора СФД-1 и контроллера. В состав СФД-1 входил кремниевый фотодиод [7] с активной областью диаметром 10 мм, предназначенный для регистрации излучения в спектральном диапазоне 200–1180 нм. Он обладает температурным коэффициентом внешней квантовой эффективности 0,01%/˚С для длин волн 885–238 нм [8]. Кроме кремниевого фотодиода детектор СФД-1 включал в себя преобразователь тока фотодиода, собранный по схеме интегратора. СФД-1 был выполнен в виде гибридной сборки и регистрировал токовые сигналы на одном измерительном элементе во всем динамическом диапазоне [9]. Выходной сигнал с СФД-1 в цифровом виде слабо подвержен воздействию внешних электромагнитных помех. Контроллер обеспечивает обработку цифровых данных, полученных от СФД-1, а также передачу результатов измерения на персональный компьютер (ПК). Программное обеспечение, разработанное для исследуемого ФПУ, обеспечивает запись и обработку данных, поступающих с контроллера, а также графическое отображение результатов измерения ФПУ (рис.1) на основе СФД-1. Габариты СФД-1: диаметр 20 мм и высота 10 мм. Коэффициент преобразования СФД-1 определяли с помощью источника калиброванного постоянного тока, который выполнен на основе источников опорного напряжения AD581 и прецизионного проволочного резистора. Проверка источника калиброванного тока представлена в табл.1.
В рамках данной работы оптические сигналы в спектральном диапазоне 350–1100 нм регистрировали кремниевым фотодиодом. Измерения фототока вели при температуре 20–25˚С.
На рис.2 представлен график относительной спектральной чувствительности ФПУ, полученный по результатам калибровки во ФГУП ВНИИОФИ на Установке высшей точности для воспроизведения единиц спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 0,22–2,5 мкм (УВТ 42-А-86).
Исследование динамического диапазона и линейности энергетической характеристики ФПУ
С целью определения возможности использования исследованного ФПУ в качестве фотоприемного блока в составе денситометрического комплекса были проведены измерения: шумовых параметров, динамического диапазона и линейности энергетической характеристики исследованного ФПУ.
Оптическая схема и оборудование
Исследования шумовых параметров, динамического диапазона и линейности энергетической характеристики исследованного ФПУ проводили на установке, оптическая схема которой приведена на рис.3. В качестве источника излучения использована светоизмерительная лампа накаливания типа СИРШ 8.5–200-1 (напряжение 8 В, ток 23 А), в качестве приемника оптического излучения – ФПУ на основе кремниевого фотодиода и интегратора СФД-1. Питание лампы СИРШ 8.5–200-1 (2) обеспечивал стабилизированный источник питания СИП-30, для контроля напряжения на лампе был использован вольтметр В7-54/3. Напряжение на лампе, которое поддерживали посредством магазина сопротивлений Р33, было равным 8,0020±0,0004 В. Напряжение на ФПУ, которое устанавливали посредством стабилизированного источника питания MPS 3020, было равно 6,00±0,01 В.
Метод исследования
В основу исследования положен метод измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик ФПУ [10]. Суть метода состоит в определении отношения между двумя величинами силы тока фотоприемника: одной – возникающей при попадании на фотоприемник светового потока, прошедшего через исследуемый образец; и другой – при попадании света на фотоприемник в отсутствии исследуемого образца. Варьирование светового потока, попадающего в интегрирующую сферу, осуществляли тремя разными способами: во-первых, изменяя расстояние между источником света и интегрирующей сферой; во-вторых, диафрагмируя световой поток; в-третьих, вводя в оптический тракт нейтральные фильтры. А комбинация этих способов с различными сочетаниями оптических элементов позволила изменять интенсивность светового потока, попадающего в интегрирующую сферу, в широком диапазоне. При каждом сочетании оптических элементов, а также при регистрации темнового тока, проводили измерения сигнала сериями из 10-ти наблюдений (время одного наблюдения – 3 с) и определяли среднее значение Ī, и среднее квадратическое отклонение результата измерения S согласно стандартной методике [11].
Определение динамического диапазона
Определение динамического диапазона проводили по методу, установленному в [10]. Динамический диапазон определяли по формуле:
Д ≤ Iф ∙ КФ / IП, (1)
где: IФ – ток фотосигнала, КФ – коэффициент ослабления фильтра, вводимого в оптический тракт, IП – значение тока шума, то есть фототока, соответствующего порогу чувствительности ФП.
Определение тока шума, соответствующего порогу чувствительности ФПУ
Значение тока шума ФПУ определяли, когда установленный экран (см. рис.3) перекрывал путь световому лучу во входной порт интегрирующей сферы. При этом на выходе ФПУ регистрировали общий ток Iобщ и темновой ток IT. По результатам их измерений с помощью разработанного ПО вычисляли значение фототока, согласно формуле IФ = IОБЩ – IT. За значение фототока IП, соответствующего порогу чувствительности ФП детектора, было принято значение тока, равное IП = 3,25 SШ, где коэффициент 3,25 – это коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности P = 0,99, а SШ – среднее квадратическое отклонение результата измерения среднего темнового тока ĪТ. В результате измерений было определено значение фототока IП, соответствующее порогу токовой чувствительности ФПУ, IП = ( 1,9 ± 0,2 ) ∙ 10-5 нА ≈ 2∙10-5 нА.
Далее, варьируя расстояние между источником и интегрирующей сферой (L1 = 300 см, L2 = 157 см, L3 = 80 см, погрешность установки 0,1 см), меняли световой поток, попадающий в интегрирующую сферу. Световой луч был направен непосредственно на диафрагму Д (см. рис.3), а на пути луча вводили фильтры НС11, НС13. Были использованы 4 различные диафрагмы диаметрами: Д1 = 1,3 мм; Д2 = 4,0 мм; Д3 = 12,0 мм; Д4 = 40,0 мм.
В табл.2 представлены результаты первой и второй серии измерений фототока IФ при различных сочетаниях оптических элементов в оптической схеме. Результаты расположены в порядке убывания от максимального значения к минимальному: от Imax = 1283,540 нА до Imin = 0,000060 нА – для I-й серии измерений; и от Imax = 6328,193 нА до Imin = 0,000087 нА – для II-й серии измерений. Таким образом, диапазон измеренных токов детектора в первой серии измерений составляет Imax / Imin = 1283,540/0,000060 = 21392334,3 ≈ 2,1∙107 и LOG10 ( Imax / Imin ) = 7,33±0,06. Во второй серии измерений Imax / Imin = 6328,193034/0,000087 = 72737850,97 ≈ ≈ 7,3 ∙ 107 и LOG10 ( Imax / Imin ) = 7,86±0,07.
Динамический диапазон Д при IФ = Ī = 647,3 нА (табл.2, 3-я строка 2-й серии измерений), КФ = 9,78 и IП = 0,00002 нА достигает значения Д = 3,16530 ∙ 108, (2) а LОG10Д = 8,50 ± 0,07 (3).
Исследование линейности энергетической характеристики ФПУ
Для исследования линейности энергетической характеристики использовали метод [10]. По результатам измерений фототока, (табл.2) с учетом известных значений коэффициентов пропускания элементов, вводимых в световой пучок (оптических фильтров, диафрагм, варьирования расстояния между источником света и интегрирующей сферой) был проведен анализ. Он показал, что погрешность определения оптической плотности этих элементов не превышает 0,2% в пределах диапазона измеренных токов исследованного ФПУ (от 0,006174 нА до 6328,193 нА во II-й серии измерений).
Полученные в ходе испытаний результаты свидетельствуют о том, что отклонение от линейности энергетической характеристики по критерию, указанному в [10] не превышает 1% в диапазоне Д = 4,1 ∙ 106. В логарифмической шкале отклонения от линейного закона энергетической характеристики не превышают 0,003 Б в диапазоне от 0,03–6,6 Б.
Исследование линейности энергетической характеристики ФПУ методом двойной апертуры
Дополнительно методом двойной апертуры [5]. была исследована линейность энергетической характеристики ФПУ в спектральном диапазоне (340–770 нм), заданном в документе [12]. Световой поток от лампы после прохождения фильтра Ф1, нейтрального фильтра ФН, рассеивателя и диафрагмы (диаметром 3 мм) попадал на непрозрачную маску, имеющую два отверстия А и Б (диаметром 1 мм). Отверстия были расположены таким образом, что они оба находились внутри площади, охватываемой этой диафрагмой, а расстояние между их крайними точками составляло 0,4 мм. Схему исследования линейности ФПУ методом двойной апертуры поясняет рис.4. Поток излучения, исходящий из этих отверстий, перекрывают заслонкой. Заслонка установлена на держателе, который приводился в движение механически шаговым двигателем. Таким образом заслонкой можно перекрывать свет то от одного отверстия А или Б, то от двух отверстий одновременно. Спектральную характеристику светового потока, падающего на диафрагму, определяет спектр излучения лампы и фильтр Ф1. Она соответствовала спектральным условиям измерения оптической плотности в проходящем свете по ИСО 5-3 [12].
Использованием нейтральных фильтров ФН были заданы уровни интенсивности прошедшего излучения, их величина менялась в диапазоне 7-и порядков. Спектральная характеристика элементов, стоящих после диафрагмы, определялась фильтром Ф2 и спектральной чувствительностью ФПУ и также соответствовала спектральным условиям измерения стандартной визуальной диффузной плотности в проходящем свете по ИСО 5-3 [12].
Фототок, полученный при открытом отверстии А или В обозначен как SА или SВ. Сигнал тока, полученный при двух открытых отверстиях принят как SА+В. При каждом уровне излучения, задаваемом нейтральными фильтрами НС-3, НС-10 и НС-11 или их комбинацией, проводили серию измерений сигналов SА, SВ и SА+В. Анализ отношения величин сигналов SА / SА+В и SВ / SА+В показал, что отношения оставались постоянными с относительной погрешностью не более 1% в диапазоне интенсивности излучения 6,4 порядка. Значения фотосигналов были ограничены снизу значением фототока IП ≈ 2 ∙ 10–5 нА, что соответствовало порогу чувствительности ФП фотоприемника. То есть исследование линейности энергетической характеристики ФПУ методом двойной апертуры подтвердило, что результаты измерений линейности энергетической характеристики ФПУ по методу [10] и методом двойной апертуры [5] находятся в соответствии друг с другом.
Заключение
Выполненные исследования шумовых параметров, динамического диапазона и линейности ФПУ, используемого в структурной схеме эталонного денситометра в проходящем свете (табл.3) подтвердили возможность использования ФПУ на основе кремниевого фотодиода для измерений оптической плотности в динамическом диапазоне более 8 Б.
Литература
Эталонные образцы диффузной визуальной ступенчатой плотности пропускания на фото и рентгеновской пленке SRM 1001 и SRM 1008. NIST Специальные публикации 260-135, 1998.
Early E., O’Brian T. – The Journal of imaging science and technology 1999, v. 43, №4, p.388–397.
Early E., O’Brian T. – Analytica Chimica Acta, 1999, v.380, is.2–3, p.143–153.
Buher E., Bergmann D. – The Journal of imaging science and technology, 1999, v. 43, №4, p. 382–387.
Proctor J., Barnes P. – J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 1996, v.101, p.619.
Денисюк А., Кузьмин В., Николаев С., Сафронов С. и др. – Имерительная техника, 2006, №7, с. 39–41.
www.technoexan.ru/products/diodes/cat2.php
Goldberg Yu., ZabrodskyV., Obolensky O., Suhanov V. – Semiconductors, 1999, №33, p.343.
Суханов В., Аруев П., Дроздова М., Забродская Н. и др. – ФТП, 2013, №47 (2), с.174.
ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик.
ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.
ИСО 5-3: 2009. Технология фотографии и графики. Денситометрия. Спектральные условия.
Так, в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) разработано средство измерения оптической плотности в проходящем свете стандартных образцов SRM 1001 и SRM 1008, представляющих собой ступенчатые оптические ослабители на рентгеновской и фотографической пленке. Установка измерения оптической плотности позволяет определять диффузную оптическую плотность в диапазоне до 6 Б, при этом стандартная неопределенность равна 0,002 Б, расширенная неопределенность (при коэффициенте охвата k = 3) равна 0,006 Б [1–3]. В основе измерительного прибора – термостабилизированное фотоприемное устройство (ФПУ), состоящее из кремниевого фотодиода и предусилителя. ФПУ обеспечивает измерение оптического сигнала в диапазоне семи порядков величины, это и расширило диапазон измерений оптической плотности пропускания до 6 Б.
Немецкий Национальный Институт Метрологии (PTB) обладает волоконным денситометром [4], который обеспечивает измерения оптической плотности мер – спектрально нейтральных образцов вплоть до 6 Б, при этом расширенная неопределенность измерения плотности (при коэффициенте охвата k = 2) равна 0,006 Б.
Для исследования линейности ФПУ в составе эталонного отражательного спектрофотометра можно использовать метод двойной апертуры [5], или при измерении плотностей более 3 Б применить схему преобразования тока в напряжение с последующим его усилением [6]. В разработанном денситометре [6] достигнута абсолютная погрешность измерения оптической плотности менее ±0,005 Б.
Однако работы [1–6] страдают одним недостатком – в них отсутствует описание методов оценки основных параметров ФПУ – чувствительности, динамического диапазона и линейности. Но именно эти ключевые параметры определяют качество измерительных систем, в которые встраивают ФПУ.
Анализ ведущих публикаций [1–6] показал, что ФПУ, используемые для измерения визуальной диффузной оптической плотности с высокой точностью, были выполнены на основе кремниевого фотодиода и трансимпедансным усилителем, преобразующим ток фотодиода в выходное напряжение операционного усилителя. Переключение резисторов в обратной связи предусилителя обеспечивало динамический диапазон работы ФПУ.
В нашей работе в качестве системы детектирования денситометрического комплекса было использовано ФПУ, выполненное по схеме интегратора, а не трансимпедансного усилителя. Исследуемое ФПУ состояло из спектрофотометрического детектора СФД-1 и контроллера. В состав СФД-1 входил кремниевый фотодиод [7] с активной областью диаметром 10 мм, предназначенный для регистрации излучения в спектральном диапазоне 200–1180 нм. Он обладает температурным коэффициентом внешней квантовой эффективности 0,01%/˚С для длин волн 885–238 нм [8]. Кроме кремниевого фотодиода детектор СФД-1 включал в себя преобразователь тока фотодиода, собранный по схеме интегратора. СФД-1 был выполнен в виде гибридной сборки и регистрировал токовые сигналы на одном измерительном элементе во всем динамическом диапазоне [9]. Выходной сигнал с СФД-1 в цифровом виде слабо подвержен воздействию внешних электромагнитных помех. Контроллер обеспечивает обработку цифровых данных, полученных от СФД-1, а также передачу результатов измерения на персональный компьютер (ПК). Программное обеспечение, разработанное для исследуемого ФПУ, обеспечивает запись и обработку данных, поступающих с контроллера, а также графическое отображение результатов измерения ФПУ (рис.1) на основе СФД-1. Габариты СФД-1: диаметр 20 мм и высота 10 мм. Коэффициент преобразования СФД-1 определяли с помощью источника калиброванного постоянного тока, который выполнен на основе источников опорного напряжения AD581 и прецизионного проволочного резистора. Проверка источника калиброванного тока представлена в табл.1.
В рамках данной работы оптические сигналы в спектральном диапазоне 350–1100 нм регистрировали кремниевым фотодиодом. Измерения фототока вели при температуре 20–25˚С.
На рис.2 представлен график относительной спектральной чувствительности ФПУ, полученный по результатам калибровки во ФГУП ВНИИОФИ на Установке высшей точности для воспроизведения единиц спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 0,22–2,5 мкм (УВТ 42-А-86).
Исследование динамического диапазона и линейности энергетической характеристики ФПУ
С целью определения возможности использования исследованного ФПУ в качестве фотоприемного блока в составе денситометрического комплекса были проведены измерения: шумовых параметров, динамического диапазона и линейности энергетической характеристики исследованного ФПУ.
Оптическая схема и оборудование
Исследования шумовых параметров, динамического диапазона и линейности энергетической характеристики исследованного ФПУ проводили на установке, оптическая схема которой приведена на рис.3. В качестве источника излучения использована светоизмерительная лампа накаливания типа СИРШ 8.5–200-1 (напряжение 8 В, ток 23 А), в качестве приемника оптического излучения – ФПУ на основе кремниевого фотодиода и интегратора СФД-1. Питание лампы СИРШ 8.5–200-1 (2) обеспечивал стабилизированный источник питания СИП-30, для контроля напряжения на лампе был использован вольтметр В7-54/3. Напряжение на лампе, которое поддерживали посредством магазина сопротивлений Р33, было равным 8,0020±0,0004 В. Напряжение на ФПУ, которое устанавливали посредством стабилизированного источника питания MPS 3020, было равно 6,00±0,01 В.
Метод исследования
В основу исследования положен метод измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик ФПУ [10]. Суть метода состоит в определении отношения между двумя величинами силы тока фотоприемника: одной – возникающей при попадании на фотоприемник светового потока, прошедшего через исследуемый образец; и другой – при попадании света на фотоприемник в отсутствии исследуемого образца. Варьирование светового потока, попадающего в интегрирующую сферу, осуществляли тремя разными способами: во-первых, изменяя расстояние между источником света и интегрирующей сферой; во-вторых, диафрагмируя световой поток; в-третьих, вводя в оптический тракт нейтральные фильтры. А комбинация этих способов с различными сочетаниями оптических элементов позволила изменять интенсивность светового потока, попадающего в интегрирующую сферу, в широком диапазоне. При каждом сочетании оптических элементов, а также при регистрации темнового тока, проводили измерения сигнала сериями из 10-ти наблюдений (время одного наблюдения – 3 с) и определяли среднее значение Ī, и среднее квадратическое отклонение результата измерения S согласно стандартной методике [11].
Определение динамического диапазона
Определение динамического диапазона проводили по методу, установленному в [10]. Динамический диапазон определяли по формуле:
Д ≤ Iф ∙ КФ / IП, (1)
где: IФ – ток фотосигнала, КФ – коэффициент ослабления фильтра, вводимого в оптический тракт, IП – значение тока шума, то есть фототока, соответствующего порогу чувствительности ФП.
Определение тока шума, соответствующего порогу чувствительности ФПУ
Значение тока шума ФПУ определяли, когда установленный экран (см. рис.3) перекрывал путь световому лучу во входной порт интегрирующей сферы. При этом на выходе ФПУ регистрировали общий ток Iобщ и темновой ток IT. По результатам их измерений с помощью разработанного ПО вычисляли значение фототока, согласно формуле IФ = IОБЩ – IT. За значение фототока IП, соответствующего порогу чувствительности ФП детектора, было принято значение тока, равное IП = 3,25 SШ, где коэффициент 3,25 – это коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности P = 0,99, а SШ – среднее квадратическое отклонение результата измерения среднего темнового тока ĪТ. В результате измерений было определено значение фототока IП, соответствующее порогу токовой чувствительности ФПУ, IП = ( 1,9 ± 0,2 ) ∙ 10-5 нА ≈ 2∙10-5 нА.
Далее, варьируя расстояние между источником и интегрирующей сферой (L1 = 300 см, L2 = 157 см, L3 = 80 см, погрешность установки 0,1 см), меняли световой поток, попадающий в интегрирующую сферу. Световой луч был направен непосредственно на диафрагму Д (см. рис.3), а на пути луча вводили фильтры НС11, НС13. Были использованы 4 различные диафрагмы диаметрами: Д1 = 1,3 мм; Д2 = 4,0 мм; Д3 = 12,0 мм; Д4 = 40,0 мм.
В табл.2 представлены результаты первой и второй серии измерений фототока IФ при различных сочетаниях оптических элементов в оптической схеме. Результаты расположены в порядке убывания от максимального значения к минимальному: от Imax = 1283,540 нА до Imin = 0,000060 нА – для I-й серии измерений; и от Imax = 6328,193 нА до Imin = 0,000087 нА – для II-й серии измерений. Таким образом, диапазон измеренных токов детектора в первой серии измерений составляет Imax / Imin = 1283,540/0,000060 = 21392334,3 ≈ 2,1∙107 и LOG10 ( Imax / Imin ) = 7,33±0,06. Во второй серии измерений Imax / Imin = 6328,193034/0,000087 = 72737850,97 ≈ ≈ 7,3 ∙ 107 и LOG10 ( Imax / Imin ) = 7,86±0,07.
Динамический диапазон Д при IФ = Ī = 647,3 нА (табл.2, 3-я строка 2-й серии измерений), КФ = 9,78 и IП = 0,00002 нА достигает значения Д = 3,16530 ∙ 108, (2) а LОG10Д = 8,50 ± 0,07 (3).
Исследование линейности энергетической характеристики ФПУ
Для исследования линейности энергетической характеристики использовали метод [10]. По результатам измерений фототока, (табл.2) с учетом известных значений коэффициентов пропускания элементов, вводимых в световой пучок (оптических фильтров, диафрагм, варьирования расстояния между источником света и интегрирующей сферой) был проведен анализ. Он показал, что погрешность определения оптической плотности этих элементов не превышает 0,2% в пределах диапазона измеренных токов исследованного ФПУ (от 0,006174 нА до 6328,193 нА во II-й серии измерений).
Полученные в ходе испытаний результаты свидетельствуют о том, что отклонение от линейности энергетической характеристики по критерию, указанному в [10] не превышает 1% в диапазоне Д = 4,1 ∙ 106. В логарифмической шкале отклонения от линейного закона энергетической характеристики не превышают 0,003 Б в диапазоне от 0,03–6,6 Б.
Исследование линейности энергетической характеристики ФПУ методом двойной апертуры
Дополнительно методом двойной апертуры [5]. была исследована линейность энергетической характеристики ФПУ в спектральном диапазоне (340–770 нм), заданном в документе [12]. Световой поток от лампы после прохождения фильтра Ф1, нейтрального фильтра ФН, рассеивателя и диафрагмы (диаметром 3 мм) попадал на непрозрачную маску, имеющую два отверстия А и Б (диаметром 1 мм). Отверстия были расположены таким образом, что они оба находились внутри площади, охватываемой этой диафрагмой, а расстояние между их крайними точками составляло 0,4 мм. Схему исследования линейности ФПУ методом двойной апертуры поясняет рис.4. Поток излучения, исходящий из этих отверстий, перекрывают заслонкой. Заслонка установлена на держателе, который приводился в движение механически шаговым двигателем. Таким образом заслонкой можно перекрывать свет то от одного отверстия А или Б, то от двух отверстий одновременно. Спектральную характеристику светового потока, падающего на диафрагму, определяет спектр излучения лампы и фильтр Ф1. Она соответствовала спектральным условиям измерения оптической плотности в проходящем свете по ИСО 5-3 [12].
Использованием нейтральных фильтров ФН были заданы уровни интенсивности прошедшего излучения, их величина менялась в диапазоне 7-и порядков. Спектральная характеристика элементов, стоящих после диафрагмы, определялась фильтром Ф2 и спектральной чувствительностью ФПУ и также соответствовала спектральным условиям измерения стандартной визуальной диффузной плотности в проходящем свете по ИСО 5-3 [12].
Фототок, полученный при открытом отверстии А или В обозначен как SА или SВ. Сигнал тока, полученный при двух открытых отверстиях принят как SА+В. При каждом уровне излучения, задаваемом нейтральными фильтрами НС-3, НС-10 и НС-11 или их комбинацией, проводили серию измерений сигналов SА, SВ и SА+В. Анализ отношения величин сигналов SА / SА+В и SВ / SА+В показал, что отношения оставались постоянными с относительной погрешностью не более 1% в диапазоне интенсивности излучения 6,4 порядка. Значения фотосигналов были ограничены снизу значением фототока IП ≈ 2 ∙ 10–5 нА, что соответствовало порогу чувствительности ФП фотоприемника. То есть исследование линейности энергетической характеристики ФПУ методом двойной апертуры подтвердило, что результаты измерений линейности энергетической характеристики ФПУ по методу [10] и методом двойной апертуры [5] находятся в соответствии друг с другом.
Заключение
Выполненные исследования шумовых параметров, динамического диапазона и линейности ФПУ, используемого в структурной схеме эталонного денситометра в проходящем свете (табл.3) подтвердили возможность использования ФПУ на основе кремниевого фотодиода для измерений оптической плотности в динамическом диапазоне более 8 Б.
Литература
Эталонные образцы диффузной визуальной ступенчатой плотности пропускания на фото и рентгеновской пленке SRM 1001 и SRM 1008. NIST Специальные публикации 260-135, 1998.
Early E., O’Brian T. – The Journal of imaging science and technology 1999, v. 43, №4, p.388–397.
Early E., O’Brian T. – Analytica Chimica Acta, 1999, v.380, is.2–3, p.143–153.
Buher E., Bergmann D. – The Journal of imaging science and technology, 1999, v. 43, №4, p. 382–387.
Proctor J., Barnes P. – J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 1996, v.101, p.619.
Денисюк А., Кузьмин В., Николаев С., Сафронов С. и др. – Имерительная техника, 2006, №7, с. 39–41.
www.technoexan.ru/products/diodes/cat2.php
Goldberg Yu., ZabrodskyV., Obolensky O., Suhanov V. – Semiconductors, 1999, №33, p.343.
Суханов В., Аруев П., Дроздова М., Забродская Н. и др. – ФТП, 2013, №47 (2), с.174.
ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик.
ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.
ИСО 5-3: 2009. Технология фотографии и графики. Денситометрия. Спектральные условия.
Отзывы читателей
