Счетчик фотонов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Счетчик фотонов, содержащий фотоприемник, усилитель импульсов, два амплитудных дискриминатора, причем фотоприемник соединен со входом усилителя импульсов,выход которого подсоединен к первым входам первого и второго амплитудных дискриминаторов, на вторые входы которых поданы потенциалы, задающие уровни амплитудной селекции, отличающийся тем, что содержит диафрагму, инвертор, -триггер, два логических элемента И, два интенсиметра, два коммутатора, два переключателя, два дифференциальных усилителя, усилитель обратной связи, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, таймер, первый, второй и третий нерегулируемые резисторы, первый и второй регулируемые резисторы, регулируемый источник постоянного напряжения, причем выход второго дискриминатора подключен ко входу установки -триггера, выход первого дискриминатора подключен ко второму входу первого логического элемента И и входу 15045 1 2011.10.30 инвертора, выход инвертора соединен со входом сброса -триггера, выход которого подсоединен к первому входу второго логического элемента И, первый вход первого логического элемента И и второй вход второго логического элемента И подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход которого также соединен с управляющими входами первого и второго коммутаторов вход генератора тактовых импульсов подключен к выходу таймера, выход таймера также соединен с управляющими входами первого и второго интенсиметров, выходы первого и второго логических элементов И подсоединены ко входам первого и второго интенсиметров соответственно, выходы первого и второго интенсиметров подключены ко входам первого и второго коммутаторов соответственно выходы первого и второго коммутаторов соединены с первыми клеммами первого и второго переключателей соответственно, вторые клеммы первого и второго переключателей являются первым и вторым выходами устройства соответственно третья клемма первого переключателя соединена с контактами второго и третьего нерегулируемых резисторов, вторые контакты второго и третьего нерегулируемых резисторов подключены к контактам первого и второго регулируемых резисторов соответственно, второй контакт второго нерегулируемого резистора также соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, второй контакт третьего нерегулируемого резистора соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя остальные контакты первого и второго регулируемых резисторов, включая и подвижные, соединены с корпусом устройства, третья клемма второго переключателя соединена с инвертирующим входом первого дифференциального усилителя и неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя выход первого дифференциального усилителя соединен со входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом устройства выход второго дифференциального усилителя соединен с неинвертирующим входом усилителя обратной связи, на инвертирующий вход которого подан пороговый потенциал выход усилителя обратной связи соединен со входом регулируемого источника постоянного напряжения, первый выход которого подключен к корпусу устройства, второй выход соединен с первым выводом фотоприемника с возможностью подачи оптического излучения через диафрагму на этот фотоприемник ко второму выводу фотоприемника подключен контакт первого нерегулируемого резистора, этот же контакт соединен со входом усилителя импульсов, второй контакт первого нерегулируемого резистора соединен с корпусом устройства. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения интенсивности слабого оптического излучения на базе фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, например, для измерения мощности оптического излучения слабо светящихся объектов. Известные счетчики фотонов 1 наиболее часто используют один порог амплитудной селекции для того, чтобы отделить шумы регистрирующей аппаратуры от импульсов сигнала, формирующихся на выходе фотоприемника. На выходе фотоприемника,работающего в режиме счета фотонов, помимо сигнальных импульсов, обусловленных регистрируемым оптическим излучением, присутствуют и темновые импульсы. Под темновыми импульсами понимаются те импульсы, которые сформированы на выходе фотоприемника не под действием оптического излучения, а любыми другими процессами,протекающими внутри фотоприемника. Одним из таких процессов является термогенерация свободных носителей заряда. Использование однопороговой схемы амплитудной селекции не позволяет полностью отделить темновые импульсы фотоприемника от сигнальных импульсов, если эти импульсы имеют различные амплитудные распределения. Поэтому для этих целей используют счетчики фотонов, имеющие двухпороговую схему амплитудной дискриминации. 2 15045 1 2011.10.30 Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство 2,включающее фотоприемник, усилитель, два амплитудных дискриминатора с различными значениями порогов амплитудной селекции. Причем фотоприемник соединен с входом усилителя, а выход усилителя подсоединен к первым входам первого и второго амплитудных дискриминаторов, на вторые входы дискриминаторов поданы потенциалы, задающие уровни амплитудной селекции. При практических измерениях таким устройством не всегда удается обеспечить необходимую высокую стабильность величины напряжения питания фотоприемника. Такая нестабильность приводит к изменению формы амплитудного распределения выходных импульсов напряжения фотоприемника, поскольку она зависит от напряжения его питания 3. Также в результате частичного наложения двух выходных импульсов фотоприемника друг на друга или шумов на импульс может произойти пересечение выходным импульсом верхнего порога 2 пор, при котором нижний порог 1 пор пересечен не будет. Все это приведет к увеличению погрешности измерения. Также устройство не позволяет напрямую получить сведения о количестве сигнальных импульсов на выходе фотоприемника. Это можно сделать после математической обработки результатов измерения. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений интенсивности оптического излучения счетчиком фотонов за счет устранения ошибки измерения, связанной с наложениями импульсов друг на друга и шумов на импульсы, а также упрощение измерений, позволяющих получать информацию о количестве сигнальных импульсов сразу на выходе устройства. Поставленная задача решается таким образом, что счетчик фотонов, содержащий фотоприемник, усилитель импульсов, два амплитудных дискриминатора, причем фотоприемник соединен со входом усилителя импульсов, выход которого подсоединен к первым входам первого и второго амплитудных дискриминаторов, на вторые входы которых поданы потенциалы, задающие уровни амплитудной селекции, дополнительно содержит диафрагму, инвертор, -триггер, два логических элемента И, два интенсиметра, два коммутатора, два переключателя, два дифференциальных усилителя, усилитель обратной связи, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, таймер, первый, второй и третий нерегулируемые резисторы, первый и второй регулируемые резисторы, регулируемый источник постоянного напряжения, причем выход второго дискриминатора подключен ко входу установки -триггера, выход первого дискриминатора подключен ко второму входу первого логического элемента И и входу инвертора, выход инвертора соединен со входом сброса -триггера, выход которого подсоединен к первому входу второго логического элемента И, первый вход первого логического элемента И и второй вход второго логического элемента И подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход которого также соединен с управляющими входами первого и второго коммутаторов вход генератора тактовых импульсов подключен к выходу таймера, выход таймера также соединен с управляющими входами первого и второго интенсиметров, выходы первого и второго логических элементов И подсоединены ко входам первого и второго интенсиметров соответственно, выходы первого и второго интенсиметров подключены ко входам первого и второго коммутаторов соответственно выходы первого и второго коммутаторов соединены с первыми клеммами первого и второго переключателей соответственно, вторые клеммы первого и второго переключателей являются первым и вторым выходами устройства соответственно третья клемма первого переключателя соединена с контактами второго и третьего нерегулируемых резисторов, вторые контакты второго и третьего нерегулируемых резисторов подключены к контактам первого и второго регулируемых резисторов соответственно, второй контакт второго нерегулируемого резистора также соединен с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, второй кон 3 15045 1 2011.10.30 такт третьего нерегулируемого резистора соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя остальные контакты первого и второго регулируемых резисторов, включая и подвижные, соединены с корпусом устройства, третья клемма второго переключателя соединена с инвертирующим входом первого дифференциального усилителя и неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя выход первого дифференциального усилителя соединен со входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом устройства выход второго дифференциального усилителя соединен с неинвертирующим входом усилителя обратной связи, на инвертирующий вход которого подан пороговый потенциал выход усилителя обратной связи соединен со входом регулируемого источника постоянного напряжения, первый выход которого подключен к корпусу устройства, второй выход соединен с первым выводом фотоприемника с возможностью подачи оптического излучения через диафрагму на этот фотоприемник ко второму выводу фотоприемника подключен контакт первого нерегулируемого резистора, этот же контакт соединен со входом усилителя импульсов, второй контакт первого нерегулируемого резистора соединен с корпусом устройства. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведена схема устройства,позволяющего выполнять измерения с учетом приведенных ниже рассуждений, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2. В основу работы устройства положен способ, описанный в работе 1. Так, если в течение интервала времени измерения регистрируются импульсы, которые превышают по амплитуде пороги 1 пор и 2 пор, то тогда средние числа импульсов 1, превышающих порог 1, и 2, превышающих порог 2 пор, можно записать 1 т и- средние числа соответственно темновых и сигнальных импульсов при нулевом значении порога амплитудной дискриминации соответственно, т иамплитудные распределения для темновых и сигнальных импульсов соответственно. Для различных форм амплитудных распределений темновых и сигнальных импульсов, а система уравнений (1) разрешима относительнои т Как видно из (2), можно получить оценкуи т при одновременном измерении среднего числа импульсов, превышающих пороги 1 пор и 2 пор. Для практического использования этого способа измерения необходимо предварительно определить коэффициентыи . Их можно определить на основе измерения числа импульсов 1, 2, превышающих пороги 1 пор и 2 пор в условиях затемнения и подсветки 1, 2 фотоприемника соответственно. В этом случае получим 222 15045 1 2011.10.30 Устройство включает в себя диафрагму Д, регулируемый источник постоянного напряжения ИП, фотоприемник ФП, усилитель импульсов У, два амплитудных дискриминатора 1 и 2, инвертор И 1, -триггер , два логических элемента И Л 1 и Л 2, два интенсиметра Инт 1 и Инт 2, два коммутатора К 1 и К 2, два переключателя П 1 и П 2, два дифференциальных усилителя УД 1 и УД 2, усилитель обратной связи УО, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления УП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, генератор тактовых импульсов ГТИ, таймер , нерегулируемые резисторы 1, 2, 4,регулируемые резисторы 3 и 5. Работа устройства делится на два цикла, один из которых калибровочный, а другой измерительный. Во время калибровочного цикла выполняются измерения таких величин,как 1, 2 и 1, 2, для этого вначале при помощи диафрагмы Д перекрывается оптический поток, поступающий на ФП, и устанавливаются пороги амплитудной селекции нижнего 1 пор и верхнего 2 пор (1 пор 2 пор) уровней дискриминаторов 1 и 2 соответственно. Переключатели П 1 и П 2 устанавливаются так, чтобы они соединяли выходы коммутаторов К 1 и К 2 с выходами 1 и 2 устройства соответственно. Сигналы таймерасбрасывают в нулевое состояние интенсиметры Инт 1 и Инт 2. Также таймеромзадается временной интервал измерений длительностью . Этот интервал должен оставаться неизменным для всех измерений. В случае изменения интерваланеобходимо производить калибровку и перенастройку устройства заново. Затем выполнить измерения 1, 2. Это выполняется следующим образом таймерзапускает генератор тактовых импульсов ГТИ, который разделяет интервална два равных по длительности подынтервала. В течение первого подынтервала происходит накопление данных. За время второго подынтервала выполняется измерение накопленных данных. Когда на ФП не поступает оптическое излучение, то на нагрузочном резисторе 1 формируются только темновые импульсы. Эти импульсы усиливаются усилителем У и подаются на входы интегральных амплитудных дискриминаторов 1 и 2. Дискриминаторы 1 и 2 осуществляют амплитудный отбор и формирование импульсов для их дальнейшей обработки цифровыми схемами. С выхода дискриминатора 1 импульсы подаются на входы инвертора И 1 и логического элемента И Л 1. С выхода инвертора И 1 импульсы подаются навход -триггера . Импульсы с выхода дискриминатора 2 поступают навход триггера . Триггериспользуется для устранения ошибок измерения, связанных с тем, что при наложении двух выходных импульсов ФП друг на друга или шумов однородной области фоточувствительной площадки на выходные импульсы ФП может произойти двойное пересечение импульсом верхнего порога 2 пор, хотя при этом нижний порог второй раз пересечен не будет (фиг. 1). Триггер в устройстве работает следующим образом в то время когда на выходе дискриминатора 1 присутствует импульс, на входе-триггера наблюдается логический нуль, и если в это время навход этого триггера поступит сигнал, соответствующий логической единице, то на входе триггера появится тоже логическая единица. Когда на выходе дискриминатора 1 отсутствует импульс, на входетриггеранаблюдается логическая единица, а на выходе этого триггера - логический нуль независимо от того, какой из логических уровней присутствует на входетриггера. Длительность импульса, сформированного дискриминатором 1 будет большей, чем длительность импульса или длительности импульсов, сформированных дискриминатором 2 от одного и того же выходного сигнала ФП. При этом вначале появляется импульс на выходе дискриминатора 1, и только после этого появляются один или несколько импульсов на выходе дискриминатора 2, если выходной сигнал ФП превысит порог 2 пор. Поэтому если в течение времени присутствия импульса на выходе дискриминатора 1 поступит с выхода дискриминатора 2 импульс на входтриггера , то на выходе триггера появится логическая единица. Логическая единица на выходе триггерабудет сохраняться до тех пор, пока на выходе дискриминатора 1 присутствует импульс, независимо от того,5 15045 1 2011.10.30 будут поступать еще импульсы на входили нет. При помощи дискриминаторов 1, 2 и инвертора И 1 на выходе триггераформируется поток импульсов, который поступает на вход 1 логического элемента И Л 2. Параллельно с этим с выхода дискриминатора 1 поток импульсов поступает на вход 2 логического элемента И Л 1. Потоки импульсов с выходов логических элементов Л 1 и Л 2 поступают на входы интенсиметров Инт 1 и Инт 2 соответственно только в случае наличия логической единицы на входе 1 элемента Л 1 и входе 2 элемента Л 2. Логическая единица на этих входах формируется генератором ГТИ на протяжении первого подынтервала. На выходе интенсиметров формируются некоторые уровни напряжения, значения которых 1 и и 2 и прямо пропорциональны числу импульсов, поступающих соответственно на интенсиметры Инт 1 и Инт 2. После окончания подынтервала измерения на управляющие входы коммутаторов К 1 и К 2 поступает сигнал, соответствующий логическому нулю, от генератора ГТИ. В результате чего коммутаторы подключают выходы интенсиметров Инт 1 и Инт 2 к первому и второму выходам устройства соответственно. В течение второго подынтервала происходит измерение уровней напряжений 1 и и 2 и на выходе интенсиметров. В конце калибровочного цикла сигнал таймерасбрасывает интенсиметры Инт 1 и Инт 2 в нулевое состояние путем подачи сигнала на их управляющие входы. Измерив 1 и и 2 и при закрытой диафрагме, можно определить величинупо формуле 2 и/1 и, так как величина 2 и прямо пропорциональна 2,величина 1 и прямо пропорциональна 1. Затем открывают диафрагму Д и проводят измерения уровней напряжений 1 и и 2 и на выходах интенсиметров Инт 1 и Инт 2 соответственно. Работа устройства и измерение величин 1 и и 2 и выполняются аналогично случаю при закрытой диафрагме Д. Измеренная величина 2 и прямо пропорциональна числу импульсов 2,величина 1 и прямо пропорциональна - 1. Тогда величинуможно вычислить по формуле(2 и 2 и)/(1 и-1 и). Этим заканчивается калибровочный цикл. Значения величиниявляются дробными и меньшими единицы. Регулируемые резисторы 3 и 5 подстраивают так, чтобы выполнялись соотношения 3 5(4)2345 Коэффициент усиления Куп усилителя УП устанавливается равным Куп 1/(-). Величина порогового напряжения пор в усилителе обратной связи устанавливается равной значению (-) 1 и. Затем переключатели П 1 и П 2 переводят в такое положение, чтобы выход коммутатора К 1 соединялся с резисторами 2 и 4, а выход коммутатора К 2 подключался к инвертирующему входу дифференциального усилителя УД 1. После этого выполняются измерения числа сигнальных импульсов, вызванных оптическим излучением,поступающим на ФП через диафрагму Д. В начале измерений точно так же, как и для калибровочного цикла, таймерзапускает генератор тактовых импульсов ГТИ, который разделяет интервална два подынтервала. В течение первого подынтервала происходит накопление данных. За время второго подынтервала выполняется измерение накопленных данных. В течение первого подынтервала устройство работает аналогично, как в калибровочном цикле. В течение второго подынтервала накопленное интенсиметром Инт 2 напряжение 2 си с его выхода через коммутатор К 2 и переключатель П 2 подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя УД 1 и неинвертирующий вход усилителя УД 2. Напряжение 1 си, накопленное интенсиметром Инт 1, с его выхода через коммутатор К 1 и переключатель П 1 подается на два делителя напряжения, один из которых собран на последовательно соединенных резисторах 2 и 3, а другой - на последовательно соединенных резисторах 4 и 5. Из точки соединения резисторов 2 и 3 напряжение подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя УД 1. Величина этого напряжения равна 1 си. С выхода усилителя УД 1 напряжение УД 1 подается на вход усилителя УП. Величина напряжения 6 15045 1 2011.10.30 УД 1 равна УД 11 си-2 си. После усиления усилителем УП на его выходе будет напряжение сиг(1 си-2 си)/(-), которое прямо пропорционально . Напряжение сиг поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где происходит его оцифровка. С АЦП оцифрованное значение напряжения поступает на выход 3 устройства. Из точки соединения резисторов 4 и 5 напряжение подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя УД 2. Величина этого напряжения равна 1 си. С выхода усилителя УД 2 напряжение УД 2 подается на неинвертирующий вход усилителя обратной связи УО. Величина напряжения УД 2 равна УД 22 си-1 си. При помощи усилителя УО напряжение УД 2 сравнивается с пор, и усиленное значение напряжения рассогласования подается на управляющий вход источника питания ИП, от которого запитан ФП. Это делается для того, чтобы число темновых импульсов во время измерения оставалось примерно постоянным, что позволяет обеспечить стабилизацию величины напряжения питания ФП, поскольку количество темовых импульсов, зарегистрированных за интервал времени , зависит от напряжения питания ФП 1, 3. Отметим, что величина УД 2 прямо пропорциональна числу темновых импульсов т. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений интенсивности оптического излучения счетчиком фотонов за счет устранения ошибки измерения, связанной с наложениями импульсов друг на друга и шумов на импульсы, а также упростить измерения, в результате чего можно получать информацию о количестве сигнальных импульсов сразу на выходе устройства. Источники информации 1. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск Университетское, 1989. - С. 161-163. 2. А.с. СССР 1386942, МПК 01 29/02, 1988. 3. Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Козлов В.Л. Влияние температуры на одноквантовые характеристики лавинных фотоприемников // Доклады БГУИР. - 2004. - Т. 1. -4 (8). С. 21-25. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7