Ishanin_G_G__Malceva_N_K__Musyakov_V_L__Istoch_BookZZ_org

чувствительности ПОИ, апертурный коэффициент ПОИ, конструкция ФЭПП).

2.Схема лабораторной установки и ее описание.

3.Таблицы с результатами измерений.

4.Графики угловых характеристик чувствительности ПОИ в двух плоскостях.

5.Выводы по работе.

Вопросы для подготовки

1.Конструкции ФЭПП.

2.Угловая характеристика чувствительности, апертурный коэффициент ПОИ и влияющие на них факторы.

3.Измерение и построение угловых характеристик чувствительности ПОИ.

Литература

1.Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991.

2.Гридин А.С., Панков Э.Д. Апертурные характеристики фотоприемников // Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. - 1968. - Т.XI,

№1.

41

Лабораторная работа "ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

БОЛОМЕТРА"

Цели работы

−закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения", раздел "Приемники излучения", темы "Чёрное тело и его модели", "Параметры и характеристики приемников излучения" и "Тепловые приемники излучения";

−изучить устройство, принцип действия, основные параметры

исхемы включения болометров;

−изучить устройство и принцип действия источника калибровочного излучения типа "черное тело";

−ознакомиться с работой измерительной аппаратуры;

−измерить порог чувствительности болометра с помощью "черного тела";

−исследовать зависимость порога чувствительности болометра от частоты модуляции потока излучения и от ширины полосы частот усилительного тракта.

Краткие теоретические сведения

Болометр - это тепловой приемник оптического излучения, принцип действия которого основан на изменении сопротивления чувствительного слоя при нагреве его под воздействием падающего потока излучения.

Чувствительный слой болометра представляет собой тонкую металлическую или полупроводниковую пленку, являющуюся фактически терморезистором. Обычно болометр состоит из двух термочувствительных резисторов такого типа. Один из них является приемным и подвергается воздействию потока излучения, а второй (компенсационный) служит для компенсации влияния изменения температуры внешней среды на величину сигнала, снимаемого с основного терморезистора.

Изменение сопротивления чувствительного слоя болометра при его нагревании зависит от температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α, который определяется выражением:

42

α = (1/ R)(dR / dT ),

где R - сопротивление чувствительного слоя болометра при температуре T.

У полупроводниковых материалов ТКС отрицателен, а его абсолютная величина больше, чем у металлов. Поэтому полупроводниковые болометры по сравнению с металлическими обладают большей чувствительностью. Сигналы, снимаемые с выхода болометра, как правило, малы и перед их дальнейшим использованием должны предварительно усиливаться.

На вход усилителя болометры включаются либо по мостовой схеме (рис. 27), либо по схеме, в которой компенсационный элемент играет роль нагрузочного сопротивления. Сигнал, поступающий на вход усилителя, пропорционален изменению температуры [1].

Интегральная чувствительность болометра определяется от-

ношением изменения напряжения, вызванного падающим на него потоком излучения, к величине этого потока.

Порог чувствительности Фп - это среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на приемник излучения модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока излучения.

В данной лабораторной работе сделаем допущение, что болометр - неселективный приёмник, то есть его спектральная чувствительность не зависит от длины волны в достаточно широком спектральном интервале, поэтому порог чувствительности болометров определяется уровнем его внутренних шумов (теплового и токового), а также внешним шумом (радиационным) [1]. У металлических болометров преобладает тепловой, а у полупроводниковых - токовый шум.

Токовый шум (избыточный, 1/fм - шум) объединяет несколько видов шума, которые отдельно рассчитать трудно. Он зависит от состояния поверхности и технологии изготовления фоточувствительного слоя, от качества контактов и токов утечки.

Дисперсия токового шума определяется выражением:

43

где Аm = 10-13…10-9; R - сопротивление болометра; f - ширина полосы пропускания измерительной системы; f - частота модуляции потока излучения; I - ток, протекающий через болометр.

ИК

Rd- Rd Rd

к усилителю

Рис. 27. Мостовая схема включения болометрического приемника для измерений на постоянном токе:

ИК - излучение, падающее на рабочий фоточувствительный элемент (ФЧЭ) болометра; Rd - сопротивление необлучаемого (компенсационного) ФЧЭ болометра; (Rd - Rd) - сопротивление облучаемого (рабочего) ФЧЭ болометра; R1, R3 - сопротивления в плечах моста; R3 - балансировочное сопротивление; Uп - напряжение

питания

Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов в самом ПИ и имеет равномерный спектр.

Дисперсия теплового шума:

где К - постоянная Больцмана; К=1,3805 10¯23 Дж/К; Т - термодинамическая температура болометра.

44

Радиационный шум обусловлен флуктуациями потока излучения и потоков, возникающих при теплообмене чувствительного элемента болометра с окружающей средой. Дисперсия напряжения радиационного шума при тепловом источнике излучения с учетом инерционности болометра [1]:

где ( Фр)² - дисперсия суммарного потока излучения теплового источника; SU - вольтовая чувствительность болометра; Тоб - термодинамическая температура объектов, излучение от которых попадает на чувствительную площадку болометра; Тб - термодинамическая температура болометра; Фб - собственный поток излучения болометра.

Суммарная дисперсия напряжения шума:

U 2 ш =U 2 т +U 2 i +U 2 рад

Для исследования в лабораторной установке используется полупроводниковый болометр БСГ- 2 [2].

Характеристики полупроводникового болометра БСГ-2

Габаритные размеры чувствительного элемента, мм×мм ___2,5 × 0,5. Интегральная чувствительность, В/Вт ________________ 500…3000. Удельный порог чувствительности, Вт/(см Гц1/2) ___________ 5 10-10.

Сопротивление, Ом________________________________ (1,73…4) 106. Частота модуляции, Гц ____________________________________ 10. Постоянная времени, мс ________________________________13…20. Рабочий ток, мкА _________________________________________ 20.

В болометре БСГ-2 чувствительный элемент выполнен в виде тонкого (0,03...0,05 мм) слоя германия, легированного сурьмой. Чувствительный элемент покрыт поглощающим покрытием, получающимся в результате термического испарения чистого золота в атмосфере азота с последующим осаждением золота на пленку нитроклетчатки. Толщина поглощающего покрытия - от 10 до 30 мкм. Чувствительный элемент помещен в герметичный корпус с входным окном из кристалла KRS-5 (рис. 28).

45

Измерения порога чувствительности производятся по эталонным источникам. В фотометрии принято в качестве эталонных источников использовать "черное тело" (ЧТ). ЧТ или полный излучатель - это тепловой источник излучения, который для всех длин волн и при всех температурах имеет коэффициент поглощения α(λ,Т), рав-

ный 1 [2].

Рис. 28. Конструкция полупроводникового болометра

Энергетическая светимость ЧТ определяется законом СтефанаБольцмана:

M е0 (T )= σT 4 ,

где Ме° - энергетическая светимость ЧТ; Т - термодинамическая температура ЧТ; σ - постоянная Стефана - Больцмана; σ = = 5,67 10-12 Вт/(см² К4).

Распределение мощности излучения ЧТ по спектру описывается законом Планка:

где Ме,λ - спектральная плотность энергетической светимости (СПЭС) ЧТ; С1, С2 - постоянные Планка; С1 = 3,74 Вт см-12 ; С2 =

= 1,433 104 мкм К.

Коэффициент теплового излучения - степень приближения излучения реального тела при данной температуре к излучению черного тела. Для ЧТ:

ε(λ,T )=α(λ,T )=1

46

Черных тел в природе не существует. Однако можно выполнить различные модели источников температурного излучения, излучение которых с достаточной для практических целей точностью приближается к излучению черного тела.

Такие источники излучения находят своё применение в качестве образцовых ИК излучателей для градуировки приемников ИК излучения, определения чувствительности приборов ИК техники, градуировки приборов ИК спектроскопии.

В качестве модели ЧТ может быть использована любая непрозрачная замкнутая полость с равномерно нагретыми стенками, имеющая небольшое отверстие для выхода излучения. Геометрическая форма полости существенного значения не имеет и выбирается в зависимости от конструкции ЧТ. Важно лишь, чтобы температура полости поддерживалась постоянной и площадь излучающего отверстия была намного меньше площади внутренней поверхности полости.

Рис. 29. Формы полостей, используемых в различных моделях ЧТ (на рисунке глубина каждой из излучающий полостей обозначена стрелкой)

Степень совершенства модели, то есть её приближения к ЧТ, ха-

рактеризуется эффективным коэффициентом теплового излучения

εэф, представляющим собой отношение потока излучения Φе, исходя-

47

щего из отверстия модели, к потоку излучения Φе0 ЧТ при той же температуре.

εеф = Φе / Φе0

Методика определения чувствительности болометра

Методика определения порога чувствительности болометра основана на использовании двух эталонных излучателей - моделей ЧТ (рис. 30).

И

U

7

5 6

Рис. 30. Схема лабораторной установки:

1- модель ЧТ; 2 - заслонка; 3 - термостабилизированная диафрагма с температурой Тд ; 4 - модулятор; 5 - экран; 6 - болометр;

7 - измерительный усилитель

В случае, когда заслонка 2 находится в положении I, на чувствительный элемент болометра попадает поток излучения от ЧТ 1, ограниченный диафрагмой 3. Если заслонка находится в положении II, то она вместе с диафрагмой образует второе ЧТ с температурой Т = Т2.

48

Температура чувствительного элемента болометра будет определяться суммарным потоком излучения, попадающим на его чувствительную площадку, и собственным потоком излучения болометра (теплообмен).

При фиксированном положении заслонки напряжение на выходе измерительного усилителя Uвых будет определяться приращением потока излучения Фпр, попадающего на болометр, интегральной чувствительностью SU и коэффициентом усиления измерительного усилителя Ку:

U вых = K у Sи Фпр ,

где Фпр - определяется разностью принимаемых потоков излучения для случая, когда диск модулятора не перекрывает диафрагму 3, и случая, когда диск перекрывает последнюю.

Учитывая всё это, определим напряжение на выходе измерительного усилителя для двух случаев:

А) заслонка в положении I:

U вых1 = K у Sи Фпр =

= K у Sи (Фпр.чт +Фпр.к з+Физ )− K у Sи (Фм +Фф +Физ )=

= K у Sи Апр (Еепр.чт + Еепр.кз + Еепр.ф −Ме )− Ку Sи Апр (Ее м + Ееф −Ме )=

где: Ку - коэффициент усиления измерительного усилителя; SU - интегральная чувствительность ПОИ; Aпр - площадь фоточувствительной площадки ПОИ; ε1 - коэффициент теплового излучения ЧТ; σ - постоянная Стефана-Больцмана; T1 - температура ЧТ; Aд - площадь диафрагмы; Фпрчт - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от ЧТ; Фпр.к.з. - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от кольцевой зоны, образованной отверстием диафрагмы и отверстием экрана; Фпр.ф. - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от фона; Фм - поток, падающий на чувствительную площадку ПОИ от дисков модулятора; Физл - поток, излучаемый самим ПОИ в окружающую среду; Ме - энергетическая светимость самого ПОИ; Ее - облученность.

Б) заслонка в положении II:

Uвых2 = SиКу Апр ε2σπТ24 Аl2д + Eекз + Еем

49

где l - расстояние от выходного отверстия термостабилизированной диафрагмы до плоскости чувствительной площадки ПОИ. ЗАМЕЧАНИЕ: при определении Uв1 было сделано допущение, что в пределах рабочего диапазона длин волн приемник является неселективным (коэффициент использования для принимаемых потоков равен 1).

Учитывая выражения для случаев A) и Б), находим:

U вых =U1 −U 2 = Sи Ку Апр πАlд2 (ε1T14 −ε2T24 )

Тогда для интегральной чувствительности системы "ПОИ - измерительный усилитель" можем записать:

Порог чувствительности системы "ПОИ - измерительный усилитель", приведенный к единичной полосе частот, можно определить по формуле:

где U ш2 .с - среднее квадратическое значение (СКЗ) напряжения шумов

системы "ПОИ -измерительный усилитель".

В случае, когда шумы измерительного усилителя пренебрежимо малы по сравнению с шумами ПОИ, можно считать, что Фпор.с приблизительно равен Фпор.пои . Окончательно для порогового потока ПОИ, приведенного к единичной полосе частот, имеем:

С учетом выражения для Sc получим:

Заметим, что для определения порога чувствительности болометра (Фпор.пои) по заданной методике необходимо измерить только напряжение на выходе измерительного усилителя при двух положениях заслонки 2 и произвести серию измерений напряжения шума.

50