ГОСТ Р 59606-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Оптика и фотоника. Устройства фотоприемные второго и последующих поколений. Методы измерений фотоэлектрических параметров и определения характеристик

4.6 Метод определения энергетической характеристики сигнала

4.6.1 Сущность метода

4.6.1.1 Метод применяют для определения энергетических характеристик сигнала ФЧЭ ФПУ (или каналов ВЗН) и сигнала ФПУ или зоны.

4.6.1.2 За энергетическую характеристику чувствительности ФЧЭ ФПУ принимают зависимость сигнала (или каналов ВЗН) ФЧЭ ФПУ от падающего потока или плотности потока на ФПУ в относительных единицах.

4.6.1.3 За энергетическую характеристику сигнала ФПУ принимают зависимость среднего значения сигнала ФПУ или зоны ФПУ (по недефектным ФЧЭ) от падающего потока или плотности потока в относительных единицах.

4.6.1.4 При измерении энергетической характеристики сигнала ФПУ или зоны ФПУ необходимо формировать зону равномерной освещенности (неравномерность освещенности менее 1%) максимального размера.

4.6.1.5 Для ФПУ с холодной диафрагмой измерение энергетической характеристики сигнала ФЧЭ ФПУ и энергетической характеристики ФПУ рекомендуется проводить только в центральной зоне ФЧЭ ФПУ, которая должна составлять не более 1/3 от диаметра холодной диафрагмы.

4.6.2 Средства измерений и вспомогательное оборудование

4.6.2.1 Требования к СИ и вспомогательному оборудованию - по 4.1.2.

4.6.2.2 Система перемещения, применяемая в установках, структурные схемы которых приведены на рисунках 2 и 3, должна быть оснащена датчиком перемещения (или индикатором положения) для фиксирования перемещений с погрешностью не менее 1% от минимального шага перемещения или начального положения. Номинальное положение нуля системы отсчета должно быть связано с плоскостью ФЧЭ. Положение плоскости ФЧЭ относительно нуля системы отсчета не должно превышать +/- 2% минимального расстояния от плоскости ФЧЭ до источника излучения. Допускается использовать системы перемещения, калиброванные в установленном порядке.

4.6.2.3 Диаметры диафрагм из набора диафрагм в установке, функциональная схема которой приведена на рисунке 3, измеряют с относительной погрешностью не более 0,5%. При смене диафрагм должно быть выполнено следующее условие:

 

, (50)

 

где - максимальное значение отклонения центров диафрагм между собой при их смене (переключении);

l - расстояние от диафрагмы источника излучения до плоскости ФЧЭ ФПУ.

4.6.3 Подготовка к измерениям

4.6.3.1 Для ФПУ, область спектральной чувствительности которых лежит в УФ диапазоне спектра, определение энергетической характеристики сигнала следует проводить на измерительной установке, структурная схема которой приведена на рисунке 2.

 

 

1 - источник излучения; 2 - испытуемый образец; 3 - БЭО;

4 - ПК; 5 - система перемещения; G - источник питания;

Э - светозащитный экран

 

Рисунок 2

 

Для ФПУ, у которых область спектральной чувствительности лежит в УФ диапазоне спектра, рекомендуется использовать источник излучения из 4.1.2.4, перечисление а), требования по распределению спектральной яркости не предъявляются. Рекомендуется источник излучения устанавливать на расстоянии не менее 100 мм до плоскости ФЧЭ ФПУ.

4.6.3.2 Для ФПУ без холодной диафрагмы, у которых область спектральной чувствительности лежит в коротковолновом, средневолновом или длинноволновом ИК диапазоне спектра, и для ФПУ с холодной диафрагмой, у которых область спектральной чувствительности лежит в средневолновом или длинноволновом ИК диапазоне спектра, определение энергетической характеристики сигнала следует проводить на измерительной установке, структурная схема которой приведена на рисунке 3.

 

 

1 - источник излучения; 2 - набор сменных диафрагм;

3 - испытуемый образец; 4 - БЭО; 5 - ПК; 6 - система

перемещения; G - источник питания; Э - светозащитный экран

 

Рисунок 3

 

Допускается использовать как оба, так и один из двух реализованных в установке методов изменения падающего потока (или плотности потока): изменять поток за счет набора сменных диафрагм и/или за счет измерения расстояния до источника с помощью системы перемещения. В случае использования только набора сменных диафрагм требования к системе перемещения установки по 4.6.2.2 не предъявляются.

Применение набора диафрагм обеспечивает более низкую погрешность регулировки потока, чем использование системы перемещения, и является рекомендуемым.

Для ФПУ с холодной диафрагмой средневолнового ИК диапазона спектра рекомендуется использовать АЧТ с температурой 800 - 1200 К.

Для ФПУ с холодной диафрагмой длинноволнового ИК диапазона спектра рекомендуется использовать АЧТ с температурой 800 - 1200 К, лампы накаливания с колбой (входным окном), прозрачной(ым) в ИК диапазоне, ИК светодиоды или лазеры.

При проведении измерений ФПУ с холодной диафрагмой расстояние l от АЧТ до испытуемого образца следует выбирать таким образом, чтобы диафрагма максимального размера не перекрывала излучение от АЧТ в измеряемой центральной зоне ФЧЭ (см. рисунок 4).

 

 

1 - диафрагма АЧТ диаметром D; 2 - входное окно испытуемого

образца; 3 - холодная диафрагма испытуемого образца

диаметром D_х.д; 4 - центральная зона ФЧЭ ФПУ

 

Рисунок 4 - Схема измерений ФПУ с холодной диафрагмой

 

При определении расстояния l следует использовать габаритный чертеж ФПУ. Фактическое расстояние от диафрагмы до источника излучения рекомендуется увеличить не менее чем на 10% расчетного расстояния и не менее, чем утроенная погрешность измерения расстояния. Центральная зона ФЧЭ должна быть ограничена углом не более 6°.

Допускается определять расстояния экспериментальным методом, при этом необходимо обеспечить неполное заполнение ячейки (например, установив температуру АЧТ на 100 - 200 К ниже, чем при проведении измерений) и измерять сигнал (согласно 4.2) для крайних элементов центральной зоны ФПУ при перемещении ФПУ (или источника излучения) вдоль оптической оси. При правильно выбранном расстоянии должна наблюдаться зависимость сигнала от перемещения ФПУ (или источника излучения) вдоль оптической оси как при их сближении (наблюдается увеличение сигнала), так и при их удалении друг от друга (уменьшение сигнала). Если при приближении источника не наблюдается увеличение сигнала, значит, происходит перекрытие АЧТ холодной диафрагмой, поэтому следует увеличить расстояние для проведения измерений так, чтобы при приближении сигнал имел тенденцию к увеличению.

4.6.3.3 Для ФПУ, область спектральной чувствительности которых лежит в коротковолновом ИК диапазоне, или ФПУ, для которых изготавливают источники излучения и регулируемые аттенюаторы излучения, определение энергетической характеристики сигнала следует проводить на измерительной установке, структурная схема которой приведена на рисунке 5.

 

 

1 - светодиод; 2 - аттенюатор; 3 - конденсор

(при необходимости); 4 - испытуемый образец; 5 - БЭО;

6 - ПК; G - источник питания; Э - светозащитный экран

 

Рисунок 5

 

При использовании данной структурной схемы измерение энергетической характеристики сигнала ФЧЭ ФПУ и энергетической характеристики ФПУ рекомендуется проводить только в центральной зоне ФЧЭ ФПУ. При этом неравномерность потока излучения - не более 1%.

4.6.3.4 Определение неравномерности потока или плотности потока излучения допускается проводить путем измерения сигнала с одного из элементов ФПУ при перемещении ФПУ перпендикулярно к источнику излучения. При этом сигнал с ФЧЭ при заданном перемещении, измеренный по 4.2, не должен изменяться больше, чем на требуемое значение неравномерности потока или плотности потока излучения.

4.6.4 Проведение измерений

4.6.4.1 Климатические требования - по 4.1.4.1.

4.6.4.2 Выполняют действия 4.1.4.2 - 4.1.4.4.

4.6.4.3 Выключают источник излучения.

4.6.4.4 Путем регулировки времени накопления обеспечивают уровень заполнения ячейки накопления ФЧЭ испытуемого образца (центральной зоны ФЧЭ ФПУ или ФПУ) менее 1%, если иное не указано в ТУ или в других документах на ФПУ конкретного типа, или в ином документе, регламентирующем порядок проведения измерений. Для ФПУ длинноволнового ИК диапазона спектра допускается уровень заполнения ячейки менее 4%.

Если иное не указано в ТУ или в других документах на ФПУ конкретного типа, или в ином документе, регламентирующем порядок проведения измерений, то уровень заполнения ячейки накопления ФЧЭ ФПУ K_{нак i,j} вычисляют по формуле

 

, (51)

 

где f_{тек i,j} - фотоотклик ФЧЭ с номером i,j ФПУ;

f1_i,j - среднее значение минимального фотоотклика ФПУ (или центральной зоны) ФПУ;

f_i,j - среднее значение диапазона выходных сигналов ФПУ (или центральной зоны) ФПУ.

Уровень заполнения центральной зоны ФЧЭ ФПУ или ФПУ в целом (если иное не указано в ТУ или в других документах на ФПУ конкретного типа, или в ином документе, регламентирующем порядок проведения измерений) K_нак вычисляют по формуле

 

, (52)

 

где f_тек - среднее значение фотоотклика центральной зоны ФЧЭ ФПУ или ФПУ;

f1_ФПУ - среднее значение минимального фотоотклика ФЧЭ (или канала ВЗН) ФПУ или ФПУ в целом;

f_ФПУ - диапазон выходного сигнала ФЧЭ (или канала ВЗН) ФПУ или ФПУ в целом.

4.6.4.5 Включают источник излучения и настраивают его на заданный режим.

4.6.4.6 Обеспечивают полное заполнение ячейки накопления ФЧЭ испытуемого ФПУ (центральной зоны) ФЧЭ ФПУ или ФПУ путем:

- установки источника излучения на минимальном расстоянии от испытуемого образца для 4.6.3.1;

- установки источника излучения на минимальном расстоянии от ФПУ и/или диафрагмы максимального диаметра (см. 4.6.3.2);

- установки минимального значения коэффициента ослабления аттенюатора (см. 4.6.3.3).

4.6.4.7 Изменением расстояния от источника излучения до плоскости ФЧЭ ФПУ, изменением коэффициента ослабления аттенюатора или изменением времени накопления устанавливают поток излучения, соответствующий максимальному значению фотоотклика (среднего значения максимального фотоотклика ФПУ или зоны). При правильно настроенных параметрах установки дальнейшее незначительное уменьшение потока от источника излучения или времени накопления приведет к уменьшению фотоотклика.

4.6.4.8 Регистрируют значения:

- расстояние от источника излучения до плоскости ФЧЭ ФПУ l₀ при использовании установок по 4.6.3.1 и 4.6.3.2;

- диаметра диафрагмы D₀ при использовании измерительных установок по 4.6.3.2;

- коэффициента ослабления аттенюатора k₀ для измерительной установки по 4.6.3.3.

4.6.4.9 Определяют зависимость сигнала ФЧЭ (среднего значения сигнала ФПУ или зоны ФПУ) от потока излучения путем уменьшения потока излучения (или плотности потока) и измерения сигналов с ФЧЭ (среднего значения сигнала ФПУ или зоны ФПУ) с равномерным шагом.

Число точек для определения энергетической характеристики сигнала ФЧЭ ФПУ (или каналов ВЗН) и/или энергетической характеристики сигнала ФПУ или зоны - не менее 11. Рекомендуется, чтобы 10 из них были расположены равномерно между максимальным и минимальным уровнем заполнения ячейки (ячеек) накопления. Первая точка должна соответствовать полному заполнению ячейки (ячеек) накопления, а последняя трем-четырем уровням заполнения ячейки (ячеек) накопления (см. 4.6.4.3) при выключенном источнике излучения.

Уменьшение потока излучения (или плотность потока) проводят:

- увеличением расстояния от ФПУ до источника излучения (см. 4.6.3.1);

- увеличением расстояния от ФПУ до источника излучения и/или уменьшения диаметра диафрагм в наборе (см. 4.6.3.2);

- уменьшением коэффициента ослабления аттенюатора (см. 4.6.3.3).

4.6.4.10 Измерение сигнала с ФЧЭ и среднего значения сигнала по ФПУ (зоне ФПУ) проводят по 4.2. За уровень сигнала, измеряемого в 4.2.4.3 и 4.2.4.4, принимают сигналы при выключенном источнике излучения по 4.6.4.3 - 4.6.4.4.

4.6.5 Обработка результатов

4.6.5.1 По результатам измерений строят график (см. рисунок 6) зависимости сигнала ФЧЭ (среднего значения сигнала ФЧЭ ФПУ или зоны ФПУ (по недефектным ФЧЭ) от потока излучения (или плотности потока) - энергетическую характеристику.

4.6.5.2 Порядок расчета относительного значения потока излучения (плотности потока излучения) зависит от типа используемой схемы измерения.

Для схемы, приведенной в 4.6.3.1, по оси относительного значения потока излучения (плотности потока излучения) по оси P (см. рисунок 6) откладывают значение, вычисленное по формуле

 

, (53)

 

где l_i - расстояние от источника излучения (или диафрагмы АЧТ) до плоскости ФЧЭ ФПУ.

 

 

Рисунок 6 - График зависимости сигнала с ФЧЭ (среднего

значения сигнала ФЧЭ ФПУ или зоны ФПУ по недефектным ФЧЭ)

от потока излучения (или плотности потока)

 

Для схемы, приведенной в 4.6.3.2, по оси P относительного значения потока излучения (см. рисунок 6) (плотности потока излучения) откладывают значение, вычисленное по формуле

 

, (54)

 

где D_i - диаметр диафрагмы.

Для схемы, приведенной в 4.6.3.3, по оси относительного значения потока излучения (плотности потока излучения) (см. рисунок 6) (ось P) откладывают значение, вычисленное по формуле

 

. (55)

 

где K_{аттен i} - коэффициент ослабления, вычисленный по формуле (если иное не указано в документах на аттенюатор конкретного типа)

 

. (56)

 

4.6.5.3 Относительное значение потока, соответствующее шуму, P_{отн min} вычисляют по формуле

 

, (57)

 

где P_{отн N-1} - относительное значение потока излучения (плотности потока излучения) в предпоследней точке (N - 1), определяемой энергетической характеристики;

ОСШ_N-1 - ОСШ в предпоследней точке определяемой энергетической характеристики для ФЧЭ (или канала ВЗН), ФПУ или зоны ФПУ.

4.6.5.4 Относительную погрешность измерения сигнала ФЧЭ (среднего значения сигнала ФПУ или зоны ФПУ по недефектным ФЧЭ) определяют по 4.2.

4.6.5.5 Относительную погрешность измерения относительного значения потока (плотности потока) вычисляют по формулам:

а) для схемы, приведенной в 4.6.3.1

 

, (58)

 

где - относительная погрешность измерения расстояния l₀, вычисленное по формуле (59);

- относительная погрешность измерения расстояния l_i, вычисленное по формуле (60).

 

, (59)

 

где - относительная погрешность измерения плоскости ФЧЭ относительно нуля системы отсчета по 4.6.2.2.

- относительная погрешность измерения положения системой отсчета по 4.6.2.2.

 

, (60)

 

где - относительная погрешность измерения положения системой отсчета по 4.6.2.2. Допускается использовать вместо значения значение , если известно, что .

б) для схемы, приведенной в 4.6.3.2

 

, (61)

 

где - относительная погрешность измерения диаметра диафрагмы D_i, вычисленная по 4.6.2.3;

- относительная погрешность измерения диаметра диафрагмы D₀, вычисленная по 4.6.2.3;

- угол (в радианах), соответствующий максимальному значению отклонения центров диафрагм между собой при их смене (переключении), по 4.6.2.3.

в) для схемы, приведенной в 4.6.3.3

 

, (62)

 

где и - абсолютная погрешность коэффициента ослабления аттенюатора.

4.6.5.6 Относительную погрешность измерения потока, соответствующего шуму, вычисляют по формуле

 

, (63)

 

где - относительная погрешность измерения потока (плотности потока) в точке (N - 1), вычисленное по формулам (58), (61) или (62);

- относительная погрешность измерения для ФЧЭ (или канала ВЗН) ФПУ, ФПУ или зоны ФПУ, вычисленное по формуле (21) или (22).

4.6.5.7 Погрешность определения энергетической характеристики сигнала ФЧЭ ФПУ (или каналов ВЗН) и энергетической характеристики сигнала ФПУ или зоны не должна выходить за пределы интервала +/- 12% с заданной вероятностью P = 0,95.