close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11775

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.04.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01R 31/00
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ФОТОПРИЕМНИКА
(21) Номер заявки: a 20070871
(22) 2007.07.11
(43) 2008.02.28
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Гулаков Иван Романович;
Зеневич Андрей Олегович (BY)
BY 11775 C1 2009.04.30
BY (11) 11775
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) SU 1173359 A, 1985.
SU 1780399 A1, 1994.
SU 1562711 A1, 1990.
(57)
Способ определения квантовой эффективности фотоприемника, в котором измеряют
дисперсию DT темновых импульсов фотоприемника и их среднее число <NT>, затем воздействуют на фотоприемник световым потоком с пуассоновским распределением фотонов, измеряют дисперсию D числа импульсов, зарегистрированных на выходе фотоприемника, и их среднее число <N>, далее воздействуют на фотоприемник световым потоком
с непуассоновским распределением фотонов, измеряют дисперсию D1 числа импульсов,
зарегистрированных на выходе фотоприемника, рассчитывают вероятность α образования
в фотоприемнике послеимпульсов в соответствии с выражением
Dc − < Nc >
α=
,
Dc + < Nc >
где D c = D − D T ; < N c >=< N > − < N T > ,
и определяют квантовую эффективность η в соответствии с выражением
D1 c
−1
(1 − α )
< Nc >
η=
,
k + α −1
где D1 c = D1 − D T ; k - коэффициент отличия дисперсии фотонов указанных световых потоков.
BY 11775 C1 2009.04.30
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения
квантовой эффективности регистрации фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, например, для измерения мощности
оптического излучения слабосветящихся объектов.
Известен способ измерения квантовой эффективности фотоприемника в режиме счета
фотонов [1], который является наиболее близким к заявляемому (прототип), заключающийся в том, что последовательно воздействуют на фотоприемник двумя световыми потоками, имеющими одинаковую интенсивность с пуассоновской и непуассоновской
статистикой фотонов, и измеряют при их воздействиях скорости счета и дисперсии скорости счета одноэлектронных импульсов, а по измеренным величинам определяют квантовую эффективность регистрации по формуле:
 −1
 D ( n c )
n c 

(1)
,
η=
k −1
где η - квантовая эффективность регистрации, D(nc) - дисперсия скорости счета одноэлектронных импульсов, вызванных оптическим излучением с непуассоновской статистикой
фотонов, <nc> - средняя скорость счета одноэлектронных импульсов, k - коэффициент
отличия дисперсии первого и второго световых потоков.
В указанном способе устанавливают затемняющую шторку так, чтобы на фотоприемник через некоторое отверстие попадало излучение только одного источника с пуассоновской статистикой фотонов, интенсивность которого регулируется ирисовой диафрагмой,
вставленной в отверстие. В этом положении начинается измерение скорости счета одноэлектронных импульсов с выхода фотоприемника счетчиком, а накопитель производит ее
усреднение. Одновременно квадратор и накопитель вычисляют средний квадрат числа одноэлектронных импульсов и их квадрат среднего. Разность этих величин представляет собой дисперсию числа отсчетов. Затем шторку переводят так, чтобы через отверстие на
фотоприемник попадало излучение второго непуассоновского источника фотонов, и повторяют процедуру измерения средней скорости счета импульсов и ее дисперсии. Один из
источников имеет пуассоновскую статистику фотонов, поэтому для него дисперсия скорости счета импульсов равна среднему значению скорости счета импульсов D(nc) = <nc>.
Для второго (непуассоновского) источника фотонов дисперсия будет отличаться от дисперсии пуассоновской статистики в k раз, т.е. D ( n фс ) = k<nc> (где D ( n фс ) - дисперсия
числа фотонов). Решающее устройство по известным значениям D ( n фс ) и измеренным
D(nc) и <nc> определяет квантовую эффективность фотоприемника по формуле (1). Отметим, что в решающее устройство заранее закладываются статистические свойства второго
источника, в частности величина D ( n фс ) .
Однако этот способ измерения квантовой эффективности регистрации имеет недостатки. В фотоприемниках, работающих в режиме счета фотонов, обнаруживаются послеимпульсы, которые вносят вклад в среднее значение и дисперсию числа отсчетов
импульсов фотоприемника. Послеимпульсы - импульсы, возникающие с некоторой вероятностью в фотоприемнике вслед за сигнальными импульсами, приводят к ухудшению
точности фотометрических измерений и изменяют статистику фотоотсчетов. Это наиболее сильно проявляется в лавинных фотоприемниках, работающих в режиме счета фотонов [2]. Поэтому их тоже необходимо учитывать при измерении средней скорости счета и
дисперсии числа отсчетов. Также в фотоприемниках, работающих в режиме счета фотонов, присутствуют темновые импульсы. Темновые импульсы - это те импульсы, которые
образуются в фотоприемнике не под действием оптического излучения и никаким образом не связанные с сигнальными импульсами. Темновые импульсы приводят к увеличению погрешности измерения квантовой эффективности регистрации фотоприемника.
2
BY 11775 C1 2009.04.30
Отметим, что скорость счета импульсов равна числу импульсов, зарегистрированных
за единицу времени. Далее при рассмотрении предлагаемого способа будет рассмотрено
более общее понятие - это число сигнальных импульсов за некоторый промежуток времени.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений квантовой эффективности регистрации фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов,
за счет устранения погрешностей, вносимых послеимпульсами и темновыми импульсами,
и расширения возможностей способа, в частности появляется возможность измерения вероятности образования послеимпульсов.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения квантовой эффективности фотоприемника, в котором измеряют дисперсию Dт темновых импульсов фотоприемника и их среднее число <Nт>, затем воздействуют на фотоприемник световым
потоком с пуассоновским распределением фотонов, измеряют дисперсию D числа импульсов, зарегистрированных на выходе фотоприемника, и их среднее число <N>, далее
воздействуют на фотоприемник световым потоком с непуассоновским распределением
фотонов, измеряют дисперсию D1 числа импульсов, зарегистрированных на выходе фотоприемника, рассчитывают вероятность α образования в фотоприемнике послеимпульсов
D − < Nc >
, где Dc = D – D т; <Nс > = <N> - <Nт >,
в соответствии с выражением α = c
Dc + < Nc >
и определяют квантовую эффективность η в соответствии с выражением
D1 c
−1
(1 − α )
< Nc >
η=
, где D1c = D1 – Dт; k - коэффициент отличия дисперсии фотонов
k + α −1
указанных световых потоков.
Получим статистическое распределение выходных импульсов P(n) для фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов с квантовой эффективностью η и вероятностью
образования послеимпульсов α. Для такого фотоприемника вероятность не зарегистрировать на выходе ни одного импульса будет равна P(0) = 1 - η в случае попадания на него
одного фотона. Вероятность регистрации одного импульса Р(1) равна произведению квантовой эффективности регистрации на вероятность того, что послеимпульс не возникнет
(P(1) = η(1-α)). Значение P(2) соответствует произведению η на вероятность образования
послеимпульса и на вероятность того, что послеимпульс второго поколения не возникнет
(Р(2) = ηα(1-α)). Продолжая рассуждения, можно показать, что вероятность регистрации
m-ого числа импульсов составит P(m) = ηαn-1 (l-α). Тогда распределение выходных
импульсов фотоприемника с послеимпульсами:
 P ( 0 ) = 1 − η, m = 0
(2)

n −1
 P ( m ) = ηα (1 − α ), m > 0.
Используя выражение (2), можно определить среднее значение М и дисперсию D распределения выходных импульсов фотоприемника:
∞
η
M = ∑ mηα n −1 (1 − α ) =
,
(3)
1− α
m =1
αη + η (1 − η )
 η 
(4)
∑ m 2 ηα n −1 (1 − α ) −  1 − α  = (1 − α ) 2 .
m =1
Используя формулы (3) и (4), определим среднее значение числа сигнальных импульсов на выходе фотоприемника <Nc> и их дисперсию Dc, если на фотоприемник попадает
среднее число фотонов <Nф>. Под сигнальными импульсами понимаются импульсы, образованные регистрируемыми фотонами оптического излучения.
D=
∞
2
3
BY 11775 C1 2009.04.30
< Nc > =
Dc =
αη + η (1 − η )
(1 − α ) 2
η
1− α
< N ф >,
< Nф > +
η2
(1 − α ) 2
(5)
Dф ,
(6)
где Dф - дисперсия среднего числа фотонов, поступающих на фотоприемник. Отметим,
что при α = 0 формула (6) преобразуется в формулу из дисперсионной теоремы Бурже [3].
В выражении (6) с учетом (5) перейдем от <Nф> к <Nc>:
α + (1 − η )
η2
Dc =
< Nc > +
Dф .
(7)
(1 − α )
(1 − α ) 2
Если один из источников излучения является пуассоновским, то для него Dф = <Nф>.
Покажем, как изменится формула для пуассоновского источника:
η
α + (1 − η )
η2
α + (1 − η )
N
N
< Nc > .
Dc =
<
>
+
<
>
=
< Nc > +
(8)
ф
c
(1 − α )
(1 − α )
(1 − α )
(1 − α ) 2
Можно упростить формулу (8) и выразить из нее α:
D − < Nc >
α= c
.
(9)
Dc + < Nc >
Выражения (9) можно использовать для определения вероятности образования послеимпульсов, так как величины Nc и Dc можно измерить.
Если взять источник оптического излучения с дисперсией фотонов, большей пуассоновской в k > l раз (D1ф = k<Nф>, где <Nф> - среднее число фотонов, падающих на фотоприемник), но с той же интенсивностью, выражение (7) можно записать в виде:
α + (1 − η )
η2
D1 c =
< Nc > +
k < Nф > .
(10)
(1 − α )
(1 − α ) 2
В формуле (10) учтем, что <Nc> = η<Nф>(1-α)-1, и получим:
α + (1 − η )
η
D1 c =
< Nc > +
k < Nc > .
(11)
(1 − α )
(1 − α )
Из (11) выразим квантовую эффективность регистрации:
D1 c
−1
(1 − α )
(12)
< Nc >
η=
.
k + α −1
Для определения величин <Nc> и D1c необходимо в начале измерить среднее значение
темновых импульсов <NT> и их дисперсию D1T. После произвести измерения среднего
значения <N> и дисперсии D1 смешанного потока импульсов (темновых и сигнальных).
Затем определить величины <Nc> и D1c по формулам <Nc> = <N> - <Nт> и D1c = Dl – D1т.
Величина α может быть получена на основании формулы (9). Если α = 0, то формула (12)
преобразуется в (1).
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема,
реализующая заявляемый способ.
Устройство состоит из двух источников излучения 1 и 2, укрепленных на оптической
скамье и находящихся в светонепроницаемом кожухе напротив фотоприемника 3. Источник излучения 1 имеет пуассоновскую статистику фотонов, а источник 2 - непуассоновскую статистику фотонов. Между источниками 1 и 2 и фотоприемником 3 находится
шторка 4 с отверстием 5, обеспечивающая возможность поочередного открывания источника 1 и 2, а также перекрывания излучения от обоих источников. К выходу фотоприемника 3 подключен счетчик импульсов 6, выход которого соединен с входами первого
4
BY 11775 C1 2009.04.30
устройства накопления 8 и квадратора 7. Выход устройства накопления 8 соединен с коммутатором 16 и параллельно через квадратор 9 подключен к первому входу вычитающего
блока 11. Выход блока 11 подключен к коммутатору 18, выходы которого соединены с
вычитающим устройством 19. Квадратор 7 через второе устройство накопления 10 соединен с вычитающим блоком 11. Управление переключениями коммутаторов осуществляется при передвижении источников излучения. Сигнал перемещения источника управляет и
коммутаторами 12, 15, 16 и 18. Коммутатор 15 соединяет и разъединяет выход решающего
устройства 17 и первые входы решающих устройств 13 и 14. Коммутатор 12 соединяет и
разъединяет выход вычитающего устройства 19 и вторые входы решающих устройств 13
и 14. Выход решающего устройства 13 соединен с третьим входом устройства 14.
Коммутатор 16 поочередно подключает выход накопителя 8 к первому и второму входам устройства 17, а коммутатор 18 поочередно подключает выход решающего устройства 11 к первому и второму входам устройства 19. Коммутаторы 12 и 15 отключены.
Перед началом измерений в решающее устройство 14 закладываются данные об отличии дисперсии фотонов источника излучения 2 от дисперсии источника 1. При проведении измерений средние числа фотонов, падающих на фотоприемник от источников 1 и 2,
должны быть одинаковыми.
Вначале проводится измерение темновых импульсов, при этом перекрывается оптическое излучение от источников 1 и 2 ирисовой диафрагмой в отверстии 5. Затем коммутатор 16 подключает накопитель 8 к первому входу вычитающего устройства 17, а коммутатор
18 подключает вычитающее устройство 11 к первому входу вычитающего устройства 19.
После чего начинают измерения числа темновых импульсов с выхода фотоприемника
3 счетчиком 6, а накопитель 8 производит их усреднение. После усреднения полученная
величина <Nт> заносится в вычитающее устройство 17. Одновременно квадратор 7 и накопитель 10 вычисляют среднее значение квадрата числа отсчетов темновых импульсов
<Nт2>, накопитель 8 и квадратор 9 - квадрат среднего <Nт>2. Разность этих величин вычисляется блоком 11 и представляет собой дисперсию числа отсчетов темновых импульсов Dт = <Nт>2 - <Nт2>. Полученная величина Dт заносится в вычитающее устройство 19.
Затем через отверстие 5 на фотоприемник падает излучение от пуассоновского источника фотонов 1, интенсивность которого регулируют ирисовой диафрагмой, встроенной в
отверстие 5. В этом положении источника выход накопителя 8 подсоединяется коммутатором 16 ко второму входу устройства 17, а выход решающего устройства 11 через коммутатор 18 соединяется со вторым входом вычитающего устройства 19. Коммутатор 12
подключает блок 19 к второму входу решающего устройства 13. Коммутатор 15 подключает устройство 17 к первому входу решающего устройства 13.
В этом положении начинают измерения числа импульсов с выхода фотоприемника 3
счетчиком 6, а накопитель 8 производит ее усреднение. После усреднения полученная величина <N> заносится в вычитающее устройство 17. Одновременно квадратор 7 и накопитель 10 вычисляют среднее значение квадрата числа отсчетов <N2>, накопитель 8 и
квадратор 9 - квадрат среднего <N>2. Разность этих величин вычисляется блоком 11 и
представляет собой дисперсию числа отсчетов D = <N>2 - <N2>. Полученная величина D
заносится в вычитающее устройство 19.
В вычитающем устройстве 17 вычисляется среднее число сигнальных импульсов как
разность <Nс> = <N> - <Nт>, а в вычитающем устройстве 19 вычисляется дисперсия числа
сигнальных импульсов как разность Dс = D – Dт.
Выход блока 19 через коммутатор 12 подключается к второму входу решающего устройства 13. На первый вход устройства 13 также подаются данные с вычитающего устройства 17 через коммутатор 15. Решающее устойство 13 производит вычисления вероятности образования послеимпульсов по формуле (9). Полученная величина вероятности
закладывается во второе решающее устройство 14 через третий вход. Коммутаторы 16 и
18 остаются в тех же состояниях.
5
BY 11775 C1 2009.04.30
Затем источник 2 перемещается таким образом, чтобы его излучение через отверстие 5
поступало на фотоприемник 3. Одновременно коммутатор 12 отключает выход блока 19
от решающего устройства 13 и подключает его к входу устройства 14, а коммутатор 15
отсоединяет устройство 17 от решающего устройства 13 и подсоединяет его к устройству
14.
После этого начинают измерения числа импульсов с выхода фотоприемника 3 счетчиком 6, а накопитель 8 производит их усреднение. После усреднения полученная величина
<N1> заносится в вычитающее устройство 17. Одновременно квадратор 7 и накопитель 10
вычисляют среднее значение квадрата числа отсчетов <N12>, накопитель 8 и квадратор 9 квадрат среднего <N1>2. Разность этих величин вычисляется блоком 11 и представляет
собой дисперсию числа отсчетов D1 = <N1>2- <N12>. Полученная величина D1 заносится
в вычитающее устройство 19.
В вычитающем устройстве 17 вычисляется число сигнальных импульсов как разность
<N1с> = <N1> - <Nт>, а в вычитающем устройстве 19 вычисляется дисперсия числа сигнальных импульсов как разность D1с = D1 - Dт.
Далее полученная величина D1c передается в решающее устройство 14 через второй
вход. Когда величина D1c поступила в устройство 14, устройство 17 через коммутатор 15
передает значения <N1с> в устройство 14 через первый вход. После чего определяется
квантовая эффективность регистрации фотоприемника в решающем устройстве по формуле (12).
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить точность измерения квантовой
эффективности регистрации фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, за
счет устранения погрешностей, вносимых послеимпульсами и темновыми импульсами, и
расширить возможности способа, в частности, позволяет измерить вероятность образования послеимпульсов.
Источники информации:
1. А.с. 1173359 СССР, МПК G 01R 31/25, 1985.
2. Гулаков И.Р., Новиков Е.В., Зеневич А.О. Лавинные фотодиоды для измерения корреляции фотонов / / Оптический журнал. - 1997. - Т. 64. - № 1. - С. 55-57.
3. Перина Я. Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений. - М.:
Мир, 1987. - 368 с.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
105 Кб
Теги
by11775, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа