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 Методы измерений и определения характеристик

 

4.1 Метод измерения шума

4.1.1 Сущность метода

4.1.1.1 Метод применяют для измерения шума каждого ФЧЭ, среднего значения шума ФПУ или выбранной области (далее в настоящем разделе - не приводится, но подразумевается возможность измерения параметров в выбранной области) и разброса значений шумов ФЧЭ по всей фоточувствительной области ФПУ или выбранной области.

4.1.1.2 За шум ФЧЭ (канала ВЗН) ФПУ принимают СКО фотоотклика с данного элемента.

4.1.1.3 За среднее значение шума ФПУ принимают среднее значение ФЧЭ ФПУ по недефектным элементам.

4.1.1.4 За разброс значений шумов ФЧЭ ФПУ принимают СКО шумов ФЧЭ ФПУ по недефектным элементам.

4.1.2 Средства измерений и вспомогательное оборудование

4.1.2.1 СИ должны быть поверены и откалиброваны в соответствии с нормативными документами, устанавливающими порядок и методы поверки и калибровки конкретных средств измерений. Вспомогательное оборудование должно быть аттестовано в соответствии с ГОСТ Р 8.568. Допускается использовать для измерений калиброванные СИ, а также вспомогательное оборудование с нормированными метрологическими характеристиками в соответствии с требованиями настоящего стандарта.

Автономное ПО самостоятельной поставки, применяемое для измерений, должно быть аттестовано в установленном порядке в соответствии с ГОСТ Р 8.654. Аттестация ПО не требуется, если ПО входит в состав функционально законченных СИ или ТСУИФ или его применяют только для функции дублирования отображения/записи информации.

Перечень СИ и вспомогательного оборудования, применяемых для измерения параметров ФПУ, должен быть указан в ТУ на их конкретные типы.

4.1.2.2 Конструкция контактных устройств (контактодержателей) для подключения ФПУ к измерительной цепи должна обеспечивать надежность электрического контакта без механических повреждений выводов ФПУ и исключать влияние их на результаты измерений.

4.1.2.3 Конструкция измерительной установки должна исключать влияние рассеянного света и посторонних источников излучения на результаты измерений.

4.1.2.4 При измерениях рекомендуется применять следующие источники излучения в зависимости от области спектральной чувствительности и режима работы ФПУ:

- лампу накаливания с цветовой температурой T_C = (2856 +/- 100) К;

- излучатель в виде модели АЧТ с плоской излучающей поверхностью большого размера (протяженное АЧТ) с температурами T = 300 К, T = 301 К, T = 303 К, T = 310 К;

- излучатель в виде модели АЧТ (высокотемпературное АЧТ) с излучающей полостью температуры T = (500 +/- 2) К, T = (800 +/- 2) К, T = (1000 +/- 12) К;

- светодиоды с известным распределением спектральной яркости или лазерные диоды.

Рекомендации по использованию источников излучения для измерения параметров ФПУ различных областей спектральной чувствительности приведены в перечислениях а) - г) ниже.

Для АЧТ с излучающей полостью в виде конуса, цилиндра или шара допускается применение методики измерения температуры излучателя (АЧТ) и ее стабильности в соответствии с ГОСТ Р 59607-2021 (приложение А).

В состав источников излучения (ламп, светодиодов) для ослабления потока излучения или для увеличения плотности мощности могут входить ослабители (аттенюаторы), зеркала, линзы, объективы и другие оптические элементы. Влияние оптических элементов не учитывают в случае измерения относительной спектральной характеристики чувствительности или других параметров, если они изменяют коэффициент использования излучения за счет изменения его спектрального состава не более чем на 2%. Коэффициент использования излучения вычисляют по формуле

 

, (1)

 

где - относительная спектральная характеристика чувствительности ФПУ, отн. ед.;

- спектральная плотность потока излучения, Вт·см^-2·мкм^-1.

Поток излучения, падающий на ФПУ, следует выбирать из условия работы ФПУ на линейном участке его энергетической характеристики или в пределах значения сигнала, соответствующего значению заполнения ячейки накопления от 0,1 до 0,9 от максимального (если иное не указано в ТУ или НД на ФПУ конкретного типа).

При проведении измерений параметров и определения характеристик ФПУ рекомендуется использовать значение, обратное по отношению к значению, вычисленному по формуле (1).

Нестабильность потока излучения не должна выходить за пределы интервала +/- 2% в течение часа. При использовании в качестве источника излучения лампы накаливания ее блок питания должен удовлетворять требованиям ГОСТ Р 55702.

Остаточные пульсации потока излучения не должны оказывать существенного влияния на результат измерения параметров ФПУ.

Источник излучения для измерения параметров ФПУ различных областей спектральной чувствительности следует выбирать исходя из следующих рекомендаций:

а) для ФПУ, область спектральной чувствительности которых лежит в УФ-диапазоне спектра, в качестве источника излучения рекомендуется использовать УФ-светодиоды с известным распределением спектральной яркости. Допускается использовать лампы накаливания, если коротковолновая граница чувствительности более 325 нм;

б) для ФПУ, область спектральной чувствительности которых лежит в коротковолновом ИК диапазоне спектра, рекомендуется использовать высокотемпературные АЧТ. Допускается использовать лампы накаливания, если длинноволновая граница чувствительности менее 2100 нм;

в) для ФПУ без холодной диафрагмы, у которых область спектральной чувствительности лежит в средневолновом или длинноволновом ИК диапазоне спектра, рекомендуется использовать высокотемпературные АЧТ;

г) для ФПУ с холодной диафрагмой, у которых область спектральной чувствительности лежит в средневолновом или длинноволновом ИК диапазоне спектра, рекомендуется использовать протяженные АЧТ. При этом протяженное АЧТ должно быть установлено таким образом, чтобы его поверхность полностью перекрывала апертурные углы всех ФЧЭ ФПУ.

При использовании источников излучения, приведенных в перечислениях а) - г), если иные требования не установлены в стандартах или ТУ на ФПУ конкретного типа, необходимо обеспечить неравномерность освещенности в плоскости ФЧЭ ФПУ не хуже 0,5% (в пределах размера всей фоточувствительной матрицы элементов) для ФПУ без холодной диафрагмы. Для ФПУ с холодной диафрагмой отступление от освещенности в плоскости ФЧЭ не должно превышать 2%.

Тип источника излучения следует выбирать с учетом параметров испытуемого образца, установленных в стандартах или ТУ на ФПУ конкретного типа.

4.1.2.5 Рекомендуется, чтобы шум электронного тракта был меньше, чем шум испытуемого образца не менее чем в четыре раза.

4.1.3 Подготовка к измерениям

4.1.3.1 Измерение следует проводить на измерительной установке, функциональная схема которой приведена на рисунке 1.

 

 

1 - источник излучения; 2 - модулятор (при необходимости);

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

6 - специализированное ПО; G - источник питания;

Э - светозащитный экран (при необходимости)

 

Рисунок 1

 

4.1.3.2 При проведении измерений допускается использование модуляторов, если это указано в ТУ на ФПУ конкретного типа. Требования к модуляторам должны быть установлены в ТУ на ФПУ, при их отсутствии следует применять электромеханические модуляторы с вращающимися дисками и 100%-ной глубиной модуляции, если иное не указано в технической документации на установку, измеряемое изделие или в другом документе, регламентирующем процесс измерений. Способ модуляции, частоту, форму и глубину модуляции потока излучения следует выбирать в соответствии с требованиями ТУ на ФПУ конкретного типа. Рекомендуемая частота модуляции должна быть f_мод = (800 +/- 12) Гц. Конструкция модулятора должна быть такой, чтобы закон изменения потока излучения приближался к синусоидальному. Нестабильность частоты модуляции не должна выходить за пределы интервала +/- 1,5%.

4.1.3.3 Измерительную установку следует подготовить к работе в соответствии с требованиями эксплуатационной документации на установку.

4.1.4 Проведение измерений

4.1.4.1 Климатические условия окружающей среды, в которых проводят измерение, должны соответствовать следующим требованиям (если иные не установлены в ТУ на ФПУ или в другом документе, регламентирующем порядок проведения измерений):

 

- температура окружающей среды	- (23 +/- 4) °C;
- относительная влажность	- (65 +/- 15)%;
- атмосферное давление	- (100 +/- 4) кПа (750 +/- 30) мм рт. ст.

 

Примечание - В ряде измерений температура должна быть точно зафиксирована для проведения последующей обработки результатов.

 

4.1.4.2 Испытуемый образец помещают в посадочное место измерительной установки, подключают его к измерительной цепи, закрывают светозащитным экраном (при необходимости) и устанавливают режим измерения в соответствии с требованиями ТУ на ФПУ конкретного типа или с учетом рекомендаций в перечислениях а) - г) 4.1.2.4.

Качество работы светозащитного экрана при измерении ФПУ УФ и коротковолнового ИК диапазонов спектра определяют по изменениям среднего значения шума при введении в конструкцию дополнительно защитного экрана от паразитного потока. Для этого проводят измерения шума при выключенном источнике излучения для двух случаев:

- с установленным экраном;

- с дополнительными элементами конструкции светозащитного экрана, уменьшающими паразитный поток, попадающий на ФПУ через экран.

Светозащитный экран выполняет свою функцию, если разность средних значений шума ФПУ для обоих случаев не превышает случайной составляющей погрешности измерений, зависящей от длины выборки кадров, размера фоточувствительной области в пикселях и шума ФЧЭ для доверительной вероятности P = 0,95.

4.1.4.3 Устанавливают требуемый режим работы испытуемого образца: напряжения питания и смещения (при необходимости) и температуру ФЧЭ. Если в составе ФПУ отсутствуют устройства стабилизации питания и смещения ФЧЭ и БИС считывания, то при измерении пульсации они не должны оказывать влияние на результаты измерений. Значения пульсации (среднеквадратическое отклонение), если иные требования не установлены в ТУ на ФПУ конкретного типа, должны в диапазоне частот от частоты кадров до частоты тактирования БИС составлять:

- не более 500 мкВ - по цепям напряжений питания аналоговых цепей ФПУ;

- не более 1000 мкВ - по цепям напряжений питания цифровых цепей ФПУ;

- не более 200 мкВ - по цепям напряжений смещения ФЧЭ.

При отсутствии в составе ФПУ устройства стабилизации питания и смещения ФЧЭ и БИС считывания рекомендуется фиксировать значения напряжений питания и смещения с погрешностью не более 100 мкВ.

4.1.4.4 Устанавливают требуемое время накопления или значение заполнения ячейки накопления. Погрешность установки времени накопления не должна превышать +/- 0,1% от установленного значения, если иные требования не указаны в ТУ на ФПУ конкретного типа. В случае, если указанная погрешность измерения времени накопления недостижима, то допускается прямое измерение времени накопления с погрешностью не более +/- 1%. Погрешность заполнения ячейки накопления не должна превышать +/- 5%, если иные требования не установлены в ТУ на ФПУ конкретного типа.

4.1.4.5 Источник излучения настраивают на заданный режим. При измерении шума ФПУ УФ и коротковолнового ИК диапазонов спектра измерения шума выполняют при выключенном источнике излучения, а для испытуемого образца с холодной диафрагмой устанавливают температуру поверхности АЧТ, равную 300 К, если иное не указано в ТУ на ФПУ конкретного типа или в ином документе, регламентирующем порядок проведения измерений.

4.1.4.6 Проводят запись не менее 512 кадров со всех пикселей испытуемого образца, если иное не указано в ТУ на ФПУ конкретного типа.

4.1.5 Обработка результатов

4.1.5.1 Значение шума i, j ФЧЭ N_{ФЧЭ i,j} по результатам измерений фотоотклика с i,j ФЧЭ ФПУ (в единицах счета АЦП) вычисляют по формуле

 

(2)

 

где f_k,i,j - фотоотклик в k-м кадре с ФЧЭ с номером i, j;

- среднее значение фотоотклика с ФЧЭ с номером i, j, вычисляемое по формуле

 

(3)

 

где K - длина последовательности кадров.

4.1.5.2 Среднее значение шума ФПУ N_ФПУ (в единицах счета АЦП) вычисляют по недефектным элементам по формуле

 

(4)

 

где N_m - среднее значение шума N_ФЧЭ в m-м недефектном ФЧЭ, вычисленное по формуле (2);

M - число недефектных элементов (или каналов ВЗН) ФПУ.

Примечание - Здесь и далее в разделе подразумевается, что если параметры, по которым элемент признают дефектным, связаны со средними значениями или разбросами параметров ФПУ, то расчет числа дефектных элементов проводят методом итераций с числом итераций, не превышающим трех.

 

4.1.5.3 Разброс средних значений шумов ФЧЭ ФПУ N_разбр (в единицах счета АЦП) вычисляют по формуле

 

(5)

 

4.1.5.4 При необходимости представления полученных результатов в вольтах (значения шума ФЧЭ ФПУ, среднего значения шума ФПУ и разброса значений шумов ФЧЭ ФПУ) необходимо умножить значения, вычисленные по формулам (2), (4), (5) соответственно, на коэффициент преобразования БЭО K_БЭО. Метод определения K_БЭО приведен в приложении А.

4.1.5.5 Допускается вычитать из шума ФЧЭ N_ФЧЭ шум БЭО N_БЭО. В этом случае шум ФЧЭ N^'_ФЧЭ вычисляют по формуле

 

. (6)

 

Примечание - Для ФПУ с цифровым выходом сигнал и шум вычисляют в единицах счета АЦП. Для ФПУ с аналоговым(и) выходом(ами) допускается вычислять значения сигнала и шума в единицах счета АЦП, если в размерности измеряемого параметра отсутствует напряжение.

 

4.1.5.6 Расчет относительной неопределенности измерения шума ФЧЭ ФПУ

Основными источниками неопределенности измерения шума ФЧЭ ФПУ являются: длительность последовательности кадров, шум БЭО, коэффициент преобразования БЭО, нестабильность источника излучения.

Относительное значение неопределенности измерения шума единичного ФЧЭ ФПУ вычисляют по формуле

 

, (7)

 

где - относительное значение неопределенности, вызванной конечной длиной выборки кадров, вычисленное по формуле (8);

- относительное значение неопределенности, вносимой шумами БЭО, вычисленное по формуле (9); при измерении ФПУ с цифровыми выходами принимают равным нулю;

- относительное значение неопределенности, вызванной погрешностью измерения коэффициента преобразования БЭО K_БЭО; метод расчета неопределенности K_БЭО приведен в приложении А; неопределенность K_БЭО принимают равным нулю при измерении ФПУ с цифровыми выходами или при вычитании шумов БЭО;

- относительное значение неопределенности, вызванной нестабильностью источника излучения, определяемое по формуле (10); при отсутствии потока излучения на входе принимают равным нулю.

Относительное значение неопределенности , вызванной конечной длиной выборки кадров, вычисляют по формуле

 

, (8)

 

где K - число кадров.

Относительное значение неопределенности , вносимой шумами БЭО, вычисляют по формуле

 

, (9)

 

где ОШШ - отношение шума ФПУ к шуму БЭО.

Относительное значение неопределенности , вызванной нестабильностью источника излучения, вычисляют по формуле

 

, (10)

 

где k - отношение значения нестабильности источника излучения по 4.1.2.4 (деленной на 100%) ко времени, за которое ее наблюдают.

4.1.5.7 Расчет относительного значения неопределенности среднего значения шума ФПУ

Основными источниками неопределенности измерения шума ФПУ являются: длительность последовательности кадров, шум БЭО, коэффициент преобразования БЭО, нестабильность источника излучения, число недефектных ФЧЭ (или каналов ВЗН) ФПУ и равномерность освещенности фоточувствительной области, создаваемая от источника излучения.

Относительное значение неопределенности измерения среднего значения шума ФПУ вычисляют по формуле

 

, (11)

 

где - относительное значение неопределенности измерения шума ФЧЭ ФПУ, определяемое по формуле (7);

M - число недефектных элементов (или каналов ВЗН) ФПУ;

- относительное значение неопределенности, вызванное неравномерностью распределения освещенности фоточувствительной области от источника излучения, определяемое по формуле (12); при отсутствии потока излучения на входе значение принимают равным нулю.

Относительное значение неопределенности , вызванной неравномерностью освещенности фоточувствительной области от источника излучения, вычисляют по формуле

 

. (12)

 

4.1.5.8 Расчет относительного значения неопределенности разброса средних значений шумов ФЧЭ

Основными источниками неопределенности измерения шума ФПУ являются: длительность последовательности кадров и число недефектных ФЧЭ (или каналов ВЗН) ФПУ.

Относительное значение неопределенности разброса средних значений шумов ФЧЭ вычисляют по формуле

 

, (13)

 

где N_{разбр.БЭО} - разброс значений шумов по каналам БЭО (см. приложение А).

4.1.5.9 Погрешность определения с заданной вероятностью P = 0,95 не должна выходить за пределы интервала:

- не более +/- 16% - для значений шума ФЧЭ ФПУ;

- не более +/- 12% - средних значений шума ФПУ;

- не более +/- 4% - неопределенности разброса средних значений шумов ФЧЭ по ФПУ.