Способ определения мертвого времени фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов при измерении интенсивности оптического излучения

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕРТВОГО ВРЕМЕНИ ФОТОПРИЕМНИКА, РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ СЧЕТА ФОТОНОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения мертвого времени фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов при измерении интенсивности оптического излучения, заключающийся в том,что временной интервал регистрации светового потока разбивают на отдельные интервалы общим числом , проверяют наличие на интервалах импульсов входного потока сигналов 0, подсчитывают количество интервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса, подсчитывают общее число импульсовна всем интервале измерения, для чего дополнительно выполняют разделение числа интервалов пополам /2, для чего последовательно осуществляют модуляцию оптического потока, включение и выключение фотоприемника и разделяют подынтервалы между собой на равные промежутки времени, подсчитывают число подынтервалов, на которых не зарегистрировано ни одного темнового импульса, подсчитывают число темновых импульсови рассчитывают число подынтервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса входного потока сигналов, в соответствии с выражением, а также число импульсов на выходе фотоприемникав соответствии с выражением, и подсчитывают количество импуль сов 0 входного потока сигналов в соответствии с выражением 02 ,14127 1 2011.02.28 сравнивают значения числаи 0 и в случае, если 0, определяют длительность мертво 1 2 го времени фоторегистрациив соответствии с выражением. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения интенсивности оптического излучения фотоприемниками, работающими в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, например, для измерения мощности и интенсивности оптического излучения слабо светящихся объектов. Известен способ измерения интенсивности оптического излучения фотоприемниками,работающими в режиме счета фотонов 1, который является наиболее близким к заявляемому (прототипом), заключающийся в том, что весь временной интервал регистрации светового потока разбивается на отдельные подынтервалы, проверяется наличие на этих подынтервалах сигнала, подсчитывается количество интервалов, на которые не поступило ни одного события, и общее число импульсов на всем интервале, вычисляется вероятность нулевого события и интенсивность входного потока. Также этот способ позволяет определитьвероятность образования послеимпульсов фотоприемника по формуле где- общее число сигналов на выходе фотоприемника,- число всех подынтервалов, - число пустых реализаций. Однако этот способ измерения интенсивности оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов, имеет недостатки. В фотоприемнике, работающем в режиме счета фотонов, наблюдается, кроме послеимпульсов, эффект, связанный с просчетами фотонов регистрируемого оптического излучения из-за ограниченного времени быстродействия фотоприемника. После регистрации фотона фотоприемник в течение некоторого времени, называемого мертвым временем, нечувствителен к падающему на него оптическому излучению. Это приводит к погрешности измерений, поэтому мертвое время необходимо учитывать при измерениях интенсивности оптического излучения. Также в фотоприемнике, работающем в режиме счета фотонов, присутствуют темновые импульсы, которые образуются в фотоприемнике при отсутствии падающего на него оптического излучения. Темновые импульсы приводят к увеличению погрешности измерения интенсивности регистрируемого оптического излучения, так как они регистрируются вместе с сигнальными импульсами, то есть импульсами, образованными регистрируемым оптическим излучением. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений интенсивности оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов,за счет устранения погрешностей, вносимых эффектом мертвого времени и темновыми импульсами, а также расширения возможностей способа. Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения мертвого времени фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов при измерении интенсивности оптического излучения, временной интервал регистрации светового потока разбивают на отдельные интервалы общим числом , проверяют наличие на интервалах импульсов входного потока сигналов 0, подсчитывают количество интервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса, подсчитывают общее число импульсовна всем интервале измерения, для чего дополнительно выполняют разделение числа интервалов пополам /2, для чего последовательно осуществляют модуляцию оптического потока, 2 14127 1 2011.02.28 включение и выключение фотоприемника и разделяют подынтервалы между собой на равные промежутки времени, подсчитывают число подынтервалов, на которых не зарегистрировано ни одного темнового импульса, подсчитывают число темновых импульсови рассчитывают число подынтервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса входного потока сигналов, в соответствии с выражением, а также число импульсов на выходе фотоприемникав соответствии с выражением-и подсчитывают количество импульсов 0 входного потока сигналов в соответствии с вы ражением 02 , сравнивают значения числаи 0, и в случае, если 0 определяют длительность мертвого времени фоторегистрациив соответствии 2 Рассмотрим фотоприемник, работающий в режиме счета фотонов, на который подается световой поток с распределением фотонов согласно статистике Пуассона. Будем считать, что в фотоприемнике проявляется эффект мертвого времени, а вероятность образования после импульсов равна нулю. Эффект мертвого времени возникает в фотоприемнике после регистрации фотона оптического излучения или образования темнового импульса, поэтому если за промежуток временине зарегистрировано ни одного фотона, то не будет проявляться этот эффект. Из этого следует, что в статистическом распределении числа сигнальных импульсов за времяна выходе фотоприемника с мертвым временем вероятность появления нулевого события(0)(-0) будет такой же, как и на выходе фотоприемника, не имеющего мертвого времени. Для фотоприемника, не имеющего мертвого времени, статистическое распределение сигнальных импульсов подчиняется статистике Пуассона со средним значением числа импульсов 0 за промежуток времени . Поэтому, определив (0) для фотоприемника с мертвым временем, можно вычислить 0 следующим образом 10 Здесь приведены рассуждения, аналогичные представленным в работе 1. Однако в работе 1 все время измерения делилось на достаточно большие интервалы времени . При этом фотоприемник постоянно находился подключенным к источнику питания и работал в режиме счета фотонов. Таким образом, мертвое время, вызванное импульсом, появившимся в самом конце одного интервала, может продлиться и в следующем интервале измерения. Это может привести к неверному измерению (0). Поэтому фотоприемник необходимо отключать от источника питания на некоторое времяпосле окончания интервала измерения. Поскольку в фотоприемнике вместе с сигнальными импульсами, вызванными регистрируемым оптическим излучением, присутствуют и темновые импульсы, поэтому для определения (0) необходимо вначале измерить вероятность появления нулевого события для темновых импульсов (0), затем для темновых и сигнальных вместе (0), после чего вычислить вероятность (0)(0) - (0). Однако при регистрации оптического излучения в фотоприемнике проявляются эффекты мертвого времени и появления послеимпульсов. Эффект мертвого времени будет приводить к уменьшению числа сигнальных импульсов на выходе фотоприемника по сравнению с 0. Послеимпульсы будут приводить к увеличению числа этих импульсов на выходе фотоприемника по сравнению с 0. Поэтому, проводя сравнение общего числа импульсов на выходе фотоприемникасо значением 0, определенным по формуле (1),14127 1 2011.02.28 можно установить, проявляется ли эффект мертвого времени или послеимпульсы. Если 0, то проявляются послеимпульсы, а если 0 - эффект мертвого времени. После установления, какой из эффектов проявляется, можно вычислить вероятность образования послеимпульсов , если проявляется эффект образования послеимпульсов,или длительность мертвого времени , если проявляется эффект мертвого времени. Вероятность образования послеимпульсов вычисляется, согласно работе 1, по формуле (1). Для определения длительности мертвого времени фоторегистрации необходимо воспользоваться выражением для числа импульсов на выходе фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, с мертвым временем продлевающегося типа 20 (0 ). Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлено устройство,реализующее предлагаемый способ, а на фиг. 2 - временная диаграмма его работы. Устройство включает в себя фотоприемник 1, резистор нагрузки , усилитель импульсов 2, амплитудный дискриминатор 3, источник питания фотоприемника 4, коммутирующее устройство 5, таймер 6, генератор тактовых импульсов 7, суммирующие счетчики 8 и 9,вычитающие счетчики 10 и 11, триггеры 12, 13, 14 и 15, логические вентили И 16 и 17,вычитающее устройство 18, суммирующее устройство 19, модулятор оптического излучения 20, делитель частоты 21. Устройство функционирует следующим образом. Регистрируемое оптическое излучение преобразуется фотоприемником 1, работающим в режиме счета фотонов, в поток электрических импульсов, выделяемых на резисторе нагрузки . Затем эти импульсы усиливаются усилителем 2 и проходят амплитудную селекцию при помощи амплитудного дискриминатора 3. Весь интервал измерений , на котором подсчитывается суммарное количество поступивших импульсов , дополнительно разделяется на отдельные более короткие подынтервалы общим числом , из которых выделяются те, на которые не поступило ни одного входного импульса. Количествотаких пустых подынтервалов суммируется. При этом подынтервалы разделены в равном количестве М/2 на те, на которых измеряются только темновые импульсы, и те, на которых измеряется смесь темновых и сигнальных импульсов. В общем случае длительность отдельных подынтервалов выбирается близкой к ожидаемому времени появления послеимпульсов, а длительность всего интервала регистрацииопределяется из соображений получения допустимой статистической погрешности измерений. При этом на интерваледолжно укладываться не менее нескольких сотен отдельных подынтервалов. Перед началом цикла измерений в суммирующих счетчиках 8 и 9 выполнен сброс числа, а в вычитающие счетчики 10 и 11 заносится число М/2, равное количеству подынтервалов регистрации, деленному на два, триггеры 12, 13, 14 и 15 переведены в нулевое состояние, устройства 18 и 19 обнулены, генератор тактовых импульсов 7 выключен. При этом коммутирующее устройство 5 блокировано низким потенциалом с выхода 12. 14127 1 2011.02.28 По сигналу Пуск, фиксирующему начало цикла измерений, включается генератор тактовых импульсов 7 и триггер 12 устанавливается в единичное состояние. В результате снимается блокировка с коммутирующего устройства 5. Импульсы с выхода генератора 7 поступают на вход делителя частоты 21, входы сброса триггеров 13 и 14 и управляющий вход источника питания 4 фотоприемника, включается таймер 6. Таймер 6 задает временной интервал измерения. Делитель частоты 21 управляет работой модулятора 20. При подаче высокого уровня сигнала на вход модулятора 21 через модулятор поступает оптическое излучение на фотоприемник 1. При низком уровне сигнала на входе модулятора оптическое излучение не попадает на фотоприемник 1. Отметим, что все подынтервалы времени регистрации разделены между собой равными промежутками времени длительностью . На этот промежуток временифотоприемник отключен от источника питания 4. Управление работой источника питания 4 осуществляется генератором тактовых импульсов 7, который подает управляющие сигналы на вход источника питания 4. Длительностьвыбирается таким образом, чтобы все релаксационные процессы в фотоприемнике после его выключения прекратились. Такие процессы в основном связаны со значениями собственной емкости и сопротивления в лавинных фотодиодах, емкости анодного узла и паразитной емкости монтажа в фотоэлектронных умножителях, а также с величиной сопротивления нагрузки . Генератор 7 и делитель частоты 21 управляют работой коммутирующего устройства 5 при помощи -триггера 15. Когда навход устройства триггера 15 поступает высокий уровень сигнала с делителя частоты и одновременно приходит сигнал высокого уровня с генератора 7 на вход синхронизации С триггера 15, то на выходе триггера появляется высокий уровень напряжения. При наличии высокого уровня напряжения на выходе триггера 15 коммутирующее устройство 5 подключает счетчик импульсов 8 к выходу дискриминатора 3. В этот момент времени высокий уровень напряжения приложен и на входе модулятора 20,при этом оптическое излучение попадает на фотоприемник, а сигнальные и темновые импульсы с выхода дискриминатора 3 поступают на вход счетчика 8. Когда навход триггера 15 поступает низкий уровень сигнала с делителя частоты и одновременно приходит сигнал высокого уровня с генератора 7 на вход синхронизации С триггера 15, то на выходе триггера появляется низкий уровень напряжения. При наличии низкого уровня напряжения на выходе триггера коммутирующее устройство 5 подключает счетчик импульсов 9 к дискриминатору 3. В этот момент времени низкий уровень напряжения приложен и на входе модулятора 20, при этом оптическое излучение не попадает на фотоприемник, и темновые импульсы с выхода дискриминатора 3 поступают на вход счетчика 9. Таким образом, счетчики 8 и 9 подсчитывают общее количество импульсов, поступивших на интервале регистрации, длительность которого определяет таймер 6. При этом счетчик 9 подсчитывает только темновые импульсы. Счетчик 8 подсчитывает как темновые,так и сигнальные импульсы. Выходной сигнал таймера, появившийся через заданное число тактов генератора, сбросит триггеры 15 и 12, блокируя коммутирующее устройство 5, и остановит тактовый генератор 7, а также подаст сигнал на управляющие входы устройств 18 и 19. При поступлении сигнала на управляющий вход вычитающего устройства 18 выполняются операции вычитания чисел импульсов, подсчитанных счетчиками 8 и 9. По приходу сигнала на управляющий вход суммирующего устройства 19 выполняется операция сложения числа импульсов, зафиксированных в счетчиках 9 и 10. Этот же сигнал таймера является признаком окончания цикла измерений. Как было отмечено ранее, сигналы тактового генератора разделяют весь интервал регистрации длительностьюна отдельные подынтервалы длительностьюи общим числом ,каждый из которых проверяется на наличие на нем хотя бы одного входного сигнала 14127 1 2011.02.28 Подсчитывается количество пустых реализаций, т.е. тех подынтервалов, на которые не поступило ни одного входного сигнала, как для темновых, так и для смеси темновых и сигнальных импульсов. При этом предполагается, что все такие подынтервалы являются пустыми. Поскольку за время регистрациивыполняются измерения по отдельности только темновых и смеси темновых и сигнальных импульсов, то подсчет пустых подынтервалов выполняется также раздельно для темновых импульсов и смеси темновых и сигнальных импульсов. Количество пустых интервалов для темновых импульсов подсчитывается счетчиком 11, а для смеси темновых и сигнальных импульсов - счетчиком 10. Если при измерении темновых и сигнальных импульсов на текущем подынтервале появится хотя бы один импульс, то из записанного в счетчик 10 числа вычитается единица. Делается это с помощью триггера 13 и логической схемы И 16. Первый появившийся на подынтервале импульс поступает через разблокированный логический вентиль 16 в счетчик 10 и одновременно переключает своим задним фронтом 13 в единичное состояние. При этом сигналом с инверсного выхода триггера 13 вентиль 16 блокируется на все оставшееся до окончания данного подынтервала время. Очередной импульс тактового генератора, определяющий окончание подынтервала, сбрасывает триггер 13 и разблокирует вентиль 16, как это показано на временной диаграмме. Подсчет пустых подынтервалов для темновых импульсов выполняется аналогично подсчету пустых подынтервалов для смеси темновых и сигнальных импульсов. Только для этих целей используются триггер 14, логический вентиль 17 и счетчик 11. Таким образом, по окончании цикла измерений на выходе вычитающего устройства 18 фиксируется общее число сигнальных импульсов , а на выходе суммирующего устройства 19 - число пустых реализацийдля сигнальных импульсов. Число пустых реализаций для сигнальных импульсовопределяется по формуле(6),где- число темновых импульсов,- число пустых реализаций для смеси сигнальных и темновых импульсов. Вероятность нулевого события для сигнальных импульсов можно определить следующим образом(0)2/2/,(7) где- число всех интервалов. Количество импульсов 0 входного потока сигналов с учетом выражений (7) и (2) определяется по данным измерений в соответствии со следующим соотношением 0(/(2(.(8) Затем выполняется сравнение числа сигнальных импульсов на выходе фотоприемникасо значением 0. Если 0 то проявляются послеимпульсы (характерно для лавинных фотодиодов, работающих в режиме счета фотонов 2) и вероятность образования послеимпульсов определяют по формуле (1). Если 0 то проявляется эффект мертвого времени и длительность мертвого времени фоторегистрации определяется согласно выражению, полученному на основании формул (7) и (8) Таким образом, предлагаемый способ повышает точность измерений интенсивности оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов, за счет устранения погрешностей, вносимых мертвым временем и темновыми импульсами, а также позволяет измерить мертвое время фоторегистрации. 1. Патент РБ 9518, МПК 01 1/00, 2006. 2. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск Университетское, 1989. - С. 89, 114. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.