МЕТОДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СКАНИРУЮЩИХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
ÓÄÊ 681.786.24:531.717.8
ÌÅÒÎÄÛ ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÎÉ ÊÀËÈÁÐÎÂÊÈ ÌÍÎÃÎÊÀÍÀËÜÍÛÕ ÑÊÀÍÈÐÓÞÙÈÕ ÎÏÒÈÊÎ-ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÏÐÈÁÎÐÎÂ
© 2008 ã. È. Þ. Äìèòðèåâ, êàíä. òåõí. íàóê Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò êîìïëåêñíûõ èñïûòàíèé îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì, ã. Ñîñíîâûé Áîð, Ëåíèíãðàäñêàÿ îáëàñòü
Ðàññìîòðåíû âûñîêîïðîèçâîäèòåëüíûå ìåòîäû ýíåðãåòè÷åñêîé êàëèáðîâêè ìíîãîêàíàëüíûõ ñêàíèðóþùèõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ (ÎÝÏ), â ò. ÷ ìåòîä èçìåðåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ïðèáîðà. Ïî ðåçóëüòàòàì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ïðèâåäåí ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç îïèñàííûõ ìåòîäîâ.
Êîäû OCIS: 120.4800.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 15.05.2008.
Ïðè ðàçðàáîòêå ñîâðåìåííûõ ÎÝÏ íàáëþäàåòñÿ óñòîé÷èâàÿ òåíäåíöèÿ ñóùåñòâåííîãî óâåëè÷åíèÿ ÷èñëà êàíàëîâ èíôîðìàöèè (äî 3000 è áîëåå) ïóòåì èñïîëüçîâàíèÿ ìíîãîýëåìåíòíûõ ôîòîïðèåìíûõ óñòðîéñòâ (ÔÏÓ). Ýòî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíûì çàòðàòàì âðåìåíè íà èõ àòòåñòàöèþ ïî ñóùåñòâóþùèì ìåòîäèêàì, êîòîðûå îñíîâàíû íà ïîêàíàëüíîì èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ ÎÝÏ [1]. Óâåëè÷åíèå òðóäîåìêîñòè àòòåñòàöèè ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ – íå åäèíñòâåííàÿ ïðîáëåìà îáùåïðèíÿòûõ ìåòîäèê. Òðàäèöèîííî èñïîëüçóåìûé ìåòîä ïîêàíàëüíîãî èçìåðåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè öåíòðàëüíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ÔÏÓ. Òàêèì îáðàçîì, èçìåðÿåòñÿ ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñîîòâåòñòâóþùåãî êàíàëà ÎÝÏ. Ðåàëüíî çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè íîñèò âåðîÿòíîñòíûé õàðàêòåð [2], òàê êàê èçîáðàæåíèå ðåàëüíî íàáëþäàåìîãî îáúåêòà ðàñïîëàãàåòñÿ ñëó÷àéíûì îáðàçîì îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ è çàâèñèò â òîì ÷èñëå îò ïåëåíãàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê êàæäîé ïàðû ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ.
 ñòàòüå ðàññìàòðèâàþòñÿ òðè ìåòîäà èçìåðåíèÿ îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ, îáåñïå÷èâàþùèõ ñóùåñòâåííîå ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ïðîöåññà àòòåñòàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ îáùåïðèíÿòûì ïîêàíàëüíûì ìåòîäîì èçìåðåíèÿ, âêëþ÷àÿ
ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ,
ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ, âåðîÿòíîñòíûé ìåòîä îöåíêè ïàðàìåòðîâ ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïåðâûå äâà ìåòîäà àòòåñòàöèè íå ìåíÿþò ïðèíöèïèàëüíîãî ïîäõîäà ê îöåíêå îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ÎÝÏ. Ñîêðàùàåòñÿ ëèøü òðóäîåìêîñòü ïðîöåññà àòòåñòàöèè, íî ñîõðàíÿåòñÿ ïðèíöèï, õàðàêòåðíûé äëÿ ïîêàíàëüíîé îöåíêè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè öåíòðàëüíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà íà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêå ìíîãîýëåìåíòíîãî ÔÏÓ. Òàêîé ìåòîä àòòåñòàöèè çàòðóäíÿåò ïîñëåäóþùåå èñïîëüçîâàíèå íàéäåííîãî ïàðàìåòðà ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ, òàê êàê îí íå ó÷èòûâàåò ïåëåíãàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè ïðèáîðà. Ïîýòîìó îáà ðàçðàáîòàííûõ ìåòîäà öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü íà ðàííèõ ýòàïàõ èçãîòîâëåíèÿ ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ. Òðåòèé ìåòîä îáåñïå÷èâàåò èçìåðåíèå âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ ïðè ðàâíîâåðîÿòíîì ðàçìåùåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ. Îí ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñîêðàòèòü âðåìÿ àòòåñòàöèè è îáåñïå÷èòü äàëüíåéøåå èñïîëüçîâàíèå ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ àòòåñòàöèè äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ ôîíîâûõ íàãðóçêàõ è àëãîðèòìàõ îáíàðóæåíèÿ.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå òàêèìè ïàðàìåòðàìè ìîãóò áûòü ïëîòíîñòü âåðîÿò-
42 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
íîñòè, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå è äèñïåðñèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè.
ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè íà ýòàïå ïðåäâàðèòåëüíîé îöåíêè ïàðàìåòðîâ ÎÝÏ.
Ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ÎÝÏ
Îäèí èç ñïîñîáîâ ñîêðàùåíèÿ âðåìåíè èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ çàêëþ÷àåòñÿ â âûáîðî÷íîì èçìåðåíèè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îòäåëüíûõ êàíàëîâ ïðèáîðà è ñîîòâåòñòâóþùåì ðàñïðîñòðàíåíèè ýòèõ èçìåðåíèé íà îöåíêó ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ â öåëîì. Ïðåäïîñûëêîé âîçìîæíîãî èñïîëüçîâàíèÿ óêàçàííîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ñîâðåìåííûå ìíîãîýëåìåíòíûå ÔÏÓ, êàê ïðàâèëî, ìîíòèðóþòñÿ èç îòäåëüíûõ ìîäóëåé, êàæäûé èç êîòîðûõ ñîñòîèò èç áîëüøîãî ÷èñëà (ñîòåí) ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ñîçäàííûõ ëèáî íà åäèíîì êðèñòàëëå, ëèáî íà åäèíîì ÷óâñòâèòåëüíîì ñëîå, è èõ õàðàêòåðèñòèêè â ïðåäåëàõ åäèíîãî ìîäóëÿ èìåþò îãðàíè÷åííûé ðàçáðîñ.
Äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé ïðîâåðêè óêàçàííîãî ìåòîäà èñïîëüçîâàëñÿ ìàêåò ÎÝÏ, ñîñòîÿùèé èç âûñîêîðàçðåøàþùåãî çåðêàëüíî-ëèíçîâîãî îáúåêòèâà ñ äèàìåòðîì âõîäíîãî çðà÷êà 500 ìì, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîòîðîãî óñòàíîâëåí ÔÏÓ â âèäå ëèíåéêè èç 197 ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Ñêàíèðîâàíèå ïîëÿ çðåíèÿ îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ çåðêàëüíîé ñèñòåìû ïóòåì ñìåùåíèÿ èçîáðàæåíèÿ ïîëÿ çðåíèÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé ëèíåéêè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Ìàêåò óñòàíàâëèâàëñÿ â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå êîëëèìàòîðíîé óñòàíîâêè, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè îáúåêòèâà êîòîðîé ðàçìåùàëñÿ òî÷å÷íûé èñòî÷íèê àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà (À×Ò). Ïîñëåäîâàòåëüíî äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ïðîâîäèëîñü èçìåðåíèå ñèãíàëîâ îò òî÷å÷íîé äèàôðàãìû è âû÷èñëÿëèñü ïîðîãîâûå çíà÷åíèÿ îáëó÷åííîñòè Eïîð.  ðåçóëüòàòå áûë ñôîðìèðîâàí ìàññèâ äàííûõ èç 197 çíà÷åíèé Eïîð. Äàëåå ñðàâíèâàëèñü âåëè÷èíû ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ (ÌÎ) è äèñïåðñèè (ÑÊÎ) ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èñõîäíîãî ìàññèâà è ñôîðìèðîâàííûõ ÷åðåç 1, 2…10 ýëåìåíòîâ âûáîðîê (òàáë. 1).
Êàê âèäíî èç òàáë. 1 ðàçáðîñ çíà÷åíèé ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ è äèñïåðñèè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåõ äåñÿòè ðàñïðåäåëåíèé îòíîñèòåëüíî íåâåëèê, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü
Ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ
Ãëàâíûì íåäîñòàòêîì ìåòîäà âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ ïðè åãî åùå äîñòàòî÷íî âûñîêîé òðóäîåìêîñòè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ýòîò ìåòîä íå ïîçâîëÿåò âûÿâèòü íåðàáîòàþùèå êàíàëû. Ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà ñâîáîäåí îò ýòèõ íåäîñòàòêîâ.
Äëÿ ðåàëèçàöèè ýòîãî ìåòîäà â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîëëèìàòîðíîé óñòàíîâêè âìåñòî èçëó÷àþùåé äèàôðàãìû (òî÷å÷íûé èçëó÷àòåëü) óñòàíàâëèâàåòñÿ ùåëåâàÿ èçëó÷àþùàÿ äèàôðàãìà (ñâåòÿùàÿñÿ ëèíèÿ), ïîïåðå÷íûé ðàçìåð êîòîðîé îòâå÷àåò óñëîâèÿì òî÷å÷íîãî èçëó÷àòåëÿ, à åå äëèíà îáåñïå÷èâàåò çàñâåòêó îäíîâðåìåííî áîëüøîãî ÷èñëà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð, çàñâåòêó áëîêà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Òàêîé èñòî÷íèê èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò çà îäèí ïåðèîä ñêàíèðîâàíèÿ èçìåðèòü ñèãíàë, è òåì ñàìûì îïðåäåëèòü ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü áîëüøîãî ÷èñëà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ÷òî â äåñÿòêè ðàç ñîêðàùàåò âðåìÿ ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé. Ôàêòè÷åñêè òàêîé ìåòîä ïîçâîëÿåò ñíÿòü ñèãíàë ñ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ÔÏÓ è îäíîâðåìåííî îïðåäåëèòü îáùåå êîëè÷åñòâî è íîìåðà äåôåêòíûõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ äîëæíû áûòü ñîáëþäåíû îïðåäåëåííûå óñëîâèÿ ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðåíèé. Âî-ïåðâûõ, âðåìåííûå ïàðàìåòðû ñèãíàëà ïðè ñêàíèðîâàíèè èçîáðàæåíèÿ ùåëè ïî ÷óâñòâèòåëüíîìó ýëåìåíòó äîëæíû áûòü àíàëîãè÷íû ïàðàìåòðàì, âîçíèêàþùèì ïðè ñêàíèðîâàíèè òî÷å÷íûì èñòî÷íèêîì. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî âûøåïðèâåäåííûå òðåáîâàíèÿ ïî âðåìåííûì ïàðàìåòðàì âûïîëíÿþòñÿ, åñëè ðàçìåð ùåëè â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ ðàâåí äèàìåòðó òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà.
Âòîðûì óñëîâèåì ïðèìåíåíèÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ ðàâåíñòâî ëó÷èñòûõ ïîòîêîâ, äîñòèãàþùèõ ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà è îò ùåëè. Ïðè ðàâåíñòâå ýíåðãåòè÷åñêèõ ÿðêîñòåé ðàññìàòðèâàåìûõ èñòî÷íèêîâ ëó÷èñòûé ïîòîê îò ùåëè â δa/(πδ2/4) ðàç áîëüøå, ÷åì
Òàáëèöà 1
Âûáîðêà îò îáùåãî ÷èñëà êàíàëîâ ÎÝÏ, %
100
50 33,30
25
20
17 14 12,50 11 10
ÌÎ Eïîð, îòí. åä. ÑÊÎ Eïîð, îòí. åä.
6,93 0,923
6,94 0,92
6,86 0,84
6,88 7,26 6,86 6,7 6,95 6,92 7,5 0,73 1,1 0,84 0,74 0,78 0,85 1,28
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
43
îò òî÷å÷íîé äèàôðàãìû, ãäå δ – äèàìåòð òî÷å÷íîãî èçëó÷àòåëÿ (ðàâåí ïîïåðå÷íîìó ðàçìåðó ùåëè); a – ðàçìåð ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ. Äëÿ óðàâíèâàíèÿ ëó÷èñòûõ ïîòîêîâ â õîäå ëó÷åé îò ùåëåâîãî èñòî÷íèêà óñòàíàâëèâàåòñÿ íåéòðàëüíûé ñâåòîôèëüòð ñ ïðîïóñêàíèåì τ = (π/4)(δ/a). Ïðè ðàáîòå â ëèíåéíîì äèíàìè÷åñêîì äèàïàçîíå ÎÝÏ äîïóñêàåòñÿ âìåñòî ñâåòîôèëüòðà èñïîëüçîâàíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîïðàâî÷íûõ êîýôôèöèåíòîâ.
 òàáë. 2 ïðèâåäåíû ðàñ÷åòíûå çíà÷åíèÿ ÌÎ è ÑÊÎ ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïîëó÷åííûõ ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè.
Êàê âèäíî èç òàáë. 2, íåñìîòðÿ íà ðàâåíñòâî ïîòîêîâ èçëó÷åíèÿ çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ ùåëè íåñêîëüêî ìåíüøå, ÷åì äëÿ òî÷êè, ò. å. ïîðîãîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü íåñêîëüêî âûøå. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè îáúåêòèâîì äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà íåñêîëüêî ìåíüøå, ÷åì êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà. Äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îáëó÷åííîñòü â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé â ïðåäåëàõ âñåãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ïîýòîìó ïîòåðÿ ëó÷èñòîãî ïîòîêà íàáëþäàåòñÿ òîëüêî ïî íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ. Ïðè ýòîì êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ áóäåò íåñêîëüêî áîëüøå, ÷åì äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ è ïðèìåðíî ñîñòàâèò âåëè÷èíó, ðàâíóþ η, ãäå η – êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Ðàçëè÷èå êîýôôèöèåíòîâ êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè íå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì äëÿ âñåõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ â ñèëó ðàçëè÷èÿ àáåððàöèé îáúåêòèâà äëÿ ðàçíûõ ïëîùàäîê, ðàçáðîñà ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ ÷óâñòâèòåëüíûõ ïëîùàäîê, íåðàâíîìåðíîñòè ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ïðåäåëàõ ïëîùàäêè è ìíîãèõ äðóãèõ ôàêòîðîâ.  ýòîì çàêëþ÷àåòñÿ îñíîâíîé íåäîñòàòîê ìåòîäà ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî äèñïåðñèÿ ýòèõ ïîïðàâî÷íûõ êîýôôèöèåíòîâ íå ñòîëü âåëèêà, è ïîýòîìó ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñðåäíåå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà êîíöåíòðàöèè. Ïðè ðàñ÷åòå ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ â öåëîì îøèáêà
Òàáëèöà 2
Ïàðàìåòðû ðàñïðåäåëåíèÿ
ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñ òî÷å÷íûì èçëó÷àòåëåì
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñî ùåëåâûì èñòî÷íèêîì
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñ ìàòðè÷íûì
òåñòîáúåêòîì
ÌÎ, îòí. åä.
6,93
6,18
6,41
ÑÊÎ, îòí. åä.
0,923
0,801
0,885
îò èñïîëüçîâàíèÿ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà îêàçûâàåòñÿ ìàëî çàìåòíîé.
Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ
Ñèãíàë îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ çàâèñèò îò ïîëîæåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ ÎÝÏ. Ïðè ñîâïàäåíèè ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ è öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè ñèãíàë ìàêñèìàëüíûé. Ïðè ñìåùåíèè èçîáðàæåíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè ñèãíàë óìåíüøàåòñÿ è äîñòèãàåò ñâîåãî ìèíèìóìà ïðè ðàñïîëîæåíèè öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà â çàçîðå ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè ïëîùàäêàìè, ïðè÷åì îïòè÷åñêèé ñèãíàë ïðèìåðíî ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëÿåòñÿ ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè ÷óâñòâèòåëüíûìè ïëîùàäêàìè è ÷àñòè÷íî òåðÿåòñÿ â çàçîðå è çà ñ÷åò êðàåâûõ ýôôåêòîâ ÷óâñòâèòåëüíûõ ïëîùàäîê. Ïîýòîìó íà ïðàêòèêå ñèãíàë ñ êàæäîé èç äâóõ ïëîùàäîê ñîñòàâëÿåò íå 50% îò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, à 20–30%, è â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì ìåæäó ðàçìåðàìè ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè è ïÿòíà ðàññåÿíèÿ èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà, îïðåäåëÿåìîãî îïòè÷åñêèì êà÷åñòâîì îáúåêòèâà. Çàâèñèìîñòü ñèãíàëà îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ è îò ñìåùåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, íàçûâàåòñÿ ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêîé.
Î÷åâèäíî, ÷òî çíà÷åíèå ìàêñèìàëüíîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè, êîòîðîå èìååò ìåñòî ïðè ñîâïàäåíèè ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà è öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷àñòíûé ñëó÷àé, êîòîðûé íå ïîçâîëÿåò â ïîëíîé ìåðå ñóäèòü î õàðàêòåðèñòèêàõ îáíàðóæåíèÿ ÎÝÏ, è ñêîðåå ñâèäåòåëüñòâóåò ëèøü î êà÷åñòâå ñáîðêè, þñòèðîâêè è íàñòðîéêè ÎÝÏ.
Äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÎÝÏ íåîáõîäèìû çíàíèÿ çàâèñèìîñòè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îò ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè, à òàêæå âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ðàñïîëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè. Òàêèì îáðàçîì, ïîðîãîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÎÝÏ ÿâëÿåòñÿ âåëè÷èíîé ñëó÷àéíîé è èçìåíÿåòñÿ â íåêîòîðûõ ïðåäåëàõ îò Enmin äî Enmax ñ îïðåäåëåííîé ñòåïåíüþ âåðîÿòíîñòè.
44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
Îáû÷íî äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÎÝÏ ïðèíèìàåòñÿ àïðèîðíàÿ èíôîðìàöèÿ î ðàâíîâåðîÿòíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. (Íà ïðàêòèêå ýòîò çàêîí ñîáëþäàåòñÿ íå âñåãäà, íàïðèìåð, â ñèñòåìàõ ÎÝÏ, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìàõ ñàìîíàâåäåíèÿ, öåíòðàëüíîå ðàñïîëîæåíèå èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà áîëåå âåðîÿòíî, ÷åì êðàéíåå åå ðàñïîëîæåíèå, ÷òî ñîîòâåòñòâåííî ìîæåò ó÷èòûâàòüñÿ.)
Äëÿ ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè ñïîñîáà îïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü èçìåðåíèå çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëîâ ñî âñåõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ îò ñìåùåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ öåíòðîâ èçîáðàæåíèé òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ïèêñåëîâ ÔÏÓ, ò. å. èçìåðåíèå ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ÷èñëî êàíàëîâ èíôîðìàöèè ñîâðåìåííûõ ñêàíèðóþùèõ ÎÝÏ äîñòèãàåò íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ è â ïåðñïåêòèâå èìååò óñòîé÷èâóþ òåíäåíöèþ äàëüíåéøåãî ðîñòà, ðåàëèçàöèÿ ýòèõ èçìåðåíèé ñ ïîìîùüþ òðàäèöèîííûõ ìåòîäîâ ïîêàíàëüíîé àòòåñòàöèè ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíà.
 ðàáîòå [3] ïðåäëîæåí ïðèíöèïèàëüíî íîâûé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâ-
ñòâèòåëüíîñòè êàæäîãî êàíàëà â îòäåëüíîñòè è ìíîãîêàíàëüíîãî ñêàíèðóþùåãî ÎÝÏ â öåëîì.  ýòîì ìåòîäå ïîêàíàëüíàÿ èíôîðìàöèÿ ñ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ñîäåðæèòñÿ â îáùåé èíôîðìàöèè ëèøü êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé. Èçìåðåíèÿ îñóùåñòâëÿþòñÿ ñ ïîìîùüþ äëèííîôîêóñíîãî âûñîêîòî÷íîãî êîëëèìàòîðà, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîòîðîãî ðàçìåùàåòñÿ òåñò-îáúåêò â âèäå èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ, ôîðìèðóþùèõ â ïîëå îáçîðà ÎÝÏ ñîâîêóïíîñòü òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â âèäå ìàòðèöû ñ ðåãóëÿðíîé ñòðóêòóðîé ñòîëáöîâ è ñòðîê (ñì. ðèñóíîê).  ìàòðèöå òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ íàïðàâëåíèå ñòîëáöîâ ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì ëèíåéêè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ. Ðàçìåùåíèå òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â ñòîëáöå è ñòðîêå îáåñïå÷èâàåò ïðè ñêàíèðîâàíèè â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñòîëáöîâ, ðåãèñòðàöèþ ôîòîïðèåìíûì óñòðîéñòâîì ðàñïðåäåëåíèÿ ñèãíàëîâ, ïðîïîðöèîíàëüíûõ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåõ ïîëîæåíèé ýíåðãåòè÷åñêèõ öåíòðîâ èçîáðàæåíèé òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèé îòíîñèòåëüíî öåíòðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ, ò. å. õàðàêòåð ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ÎÝÏ.
Íà ðèñóíêå ïðèâåäåí âèä èçîáðàæåíèÿ òåñòîáúåêòà â ïëîñêîñòè ÔÏÓ äëÿ ÎÝÏ, ó êîòîðîãî ðàç-
2 t
1
a
íàïðàâëåíèå ñêàíèðîâàíèÿ ëèíåéêè ÔÏÓ Δa
Èçîáðàæåíèå òåñò-îáúåêòà â ïëîñêîñòè Ô×Ý ïðè èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ. 1 – ëèíåéêà Ô×Ý, 2 – èçîáðàæåíèå òåñò-îáúåêòà â ïëîñêîñòè Ô×Ý. à – øàã ôîòî-÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, Δà – ñìåùåíèe èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, t – øàã èçëó÷àòåëåé â ñòðîêå ìàòðèöû òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
45
ìåð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ñîãëàñîâàí ñ ðàçìåðîì ïÿòíà ðàññåÿíèÿ îïòè÷åñêîé ñèñòåìû. Èçëó÷àòåëè â ñòîëáöàõ ìàòðèöû â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, ðàçìåùåíû ñ èíòåðâàëîì 2a, ãäå a – øàã ôîòî÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ â ëèíåéêå ÔÏÓ. Øàã t èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ äîëæåí áûòü t ≥ Vτ, ãäå V – ñêîðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ, τ – âðåìÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ ÔÏÓ. Ïðè ýòîì èñòî÷íèêè â ñòðîêå ñìåùåíû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ íà Δa = 2at/D, ãäå D – ðàçìåð ëèíåéíîãî ïîëÿ îáçîðà ÎÝÏ. Çíà÷åíèå ýòîãî ñìåùåíèÿ îïðåäåëÿåò ÷èñëî îïðîñîâ êàæäîãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà (Ô×Ý), êîòîðîå çàäàåòñÿ ñ ó÷åòîì òðåáîâàíèé ê òî÷íîñòè îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè è ñîîòíîøåíèÿ ðàçìåðîâ Ô×Ý è çàçîðîâ ìåæäó íèìè. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî èçìåðåíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ïîãðåøíîñòüþ íå áîëåå 3–5% îáåñïå÷èâàåòñÿ óæå ïðè íàëè÷èè 10 îòñ÷åòîâ íà Ô×Ý, ïðè ñîîòíîøåíèè “ðàçìåð Ô×Ý”/“ðàçìåð çàçîðà”, ðàâíîì ïðèáëèçèòåëüíî 0,2.
Ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðåíèé ÎÝÏ þñòèðóþò îòíîñèòåëüíî òåñòîâîãî îáúåêòà òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íàïðàâëåíèå ñòîëáöîâ ìàòðèöû èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ áûëî ñîâìåùåíî ñ íàïðàâëåíèåì ëèíåéêè Ô×Ý, à ïëîùàäêè ëèíåéêè Ô×Ý, íàïðèìåð íå÷åòíûå, âûñòàâëÿþòñÿ öåíòðè÷íî îòíîñèòåëüíî ïåðâîãî ñòîëáöà ìàòðèöû. Ïðè ñêàíèðîâàíèè ñíèìàþò íà âûõîäå ñîîòâåòñòâåííî ÷åòíûõ Ô×Ý ñèãíàëû, âûðàáàòûâàåìûå ïðè ïåðåñå÷åíèè èìè òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå, êîòîðûå ñìåùåíû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, íà äèñêðåòíóþ âåëè÷èíó Δa â ïðåäåëàõ ± à îòíîñèòåëüíî öåíòðà ïëîùàäêè. Øàã èñòî÷íèêîâ â ñòîëáöàõ âûáèðàåòñÿ â äâà ðàçà áîëüøå øàãà Ô×Ý, ÷òî èñêëþ÷àåò âçàèìíîå âëèÿíèå èñòî÷íèêîâ íà êîíòðîëèðóåìûå Ô×Ý, òàê êàê èñêëþ÷åíà âîçìîæíîñòü ïîïàäàíèÿ èçëó÷åíèÿ îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îäíîâðåìåííî íà äâà ñîñåäíèõ ýëåìåíòà. Ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó òî÷å÷íûìè èñòî÷íèêàìè â ñòðîêàõ t ≥ Vτ îáåñïå÷èâàåò íåçàâèñèìîñòü ñèãíàëüíûõ îòêëèêîâ, ôîðìèðóåìûõ íà âûõîäå Ô×Ý ïðè ñêàíèðîâàíèè.
Ñèãíàëû ñ ÷åòíûõ ïëîùàäîê Ô×Ý õàðàêòåðèçóþò èõ ýíåðãåòè÷åñêóþ ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äëÿ âñåãî äèàïàçîíà âçàèìíûõ ïîëîæåíèé òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà ïëîùàäêè, ò. å. õàðàêòåð ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ÎÝÏ. Èçìåðåíèÿ ïîâòîðÿþò äëÿ íå÷åòíûõ ïëîùàäîê, ïðè ýòîì ÷åòíûå ïëîùàäêè ïðåäâàðèòåëüíî þñòèðóþò
öåíòðè÷íî îòíîñèòåëüíî òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ïåðâîãî ñòîëáöà ìàòðèöû. Ïî ïîëó÷åííûì çíà÷åíèÿì ìîãóò áûòü ðàññ÷èòàíû âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ, òàêèå êàê ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèãíàëà çà N ñêàíîâ äëÿ êàæäîãî Ô×Ý è äëÿ êàæäîãî ïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ô×Ý, ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ êàæäîãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ýíåðãåòè÷åñêóþ ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà äëÿ âñåõ çàäàííûõ òåñòîâûì îáúåêòîì ïîëîæåíèé òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ïðè óñëîâèè ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âñåé ñîâîêóïíîñòè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ óñëîâèÿ ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ëþáîé òî÷êå ïîëÿ çðåíèÿ ÎÝÏ, äèñïåðñèþ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåé ñîâîêóïíîñòè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ óñëîâèÿ ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ëþáîé òî÷êå ïîëÿ çðåíèÿ ÎÝÏ è äð.
Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ïðîâåðêè ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ ïîðîãîâîé îñâåùåííîñòè ìàêåòà ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê è ðàçáðîñà ÷óâñòâèòåëüíîñòè Ô×Ý, ïîëó÷åííûå ïî òî÷å÷íîìó è ìàòðè÷íîìó èñòî÷íèêàì, ïîêàçàëè õîðîøåå ñîâïàäåíèå (òàáë. 2). Ïðè ýòîì ïðîèçâîäèòåëüíîñòü èçìåðåíèé ìåòîäîì ìàòðè÷íûõ èñòî÷íèêîâ âûøå â äåñÿòêè ðàç, à ïîëó÷àåìàÿ èíôîðìàöèÿ î ïðèáîðå áîëåå íàñûùåíà.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. ÃÎÑÒ 17772-88. Ïðèåìíèêè èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå ôîòîýëåêòðè÷åñêèå è ôîòîïðèåìíûå óñòðîéñòâà. Ìåòîäû èçìåðåíèÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ è îïðåäåëåíèå õàðàêòåðèñòèê. Ì.: Èçäàòåëüñòâî ñòàíäàðòîâ, 1988. 64 ñ.
12. Ìèðîøíèêîâ Ì.Ì. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû îïòèêîýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ. Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1977. 600 ñ.
13. Ãðèäèí À.Ñ., Äìèòðèåâ È.Þ., Âàñèëüåâ Â.Í. Ñïîñîá îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìíîãîêàíàëüíîãî ñêàíèðóþùåãî òåïëîïåëåíãàòîðà è òåñòîâûé îáúåêò äëÿ åãî îñóùåñòâëåíèÿ // Ïàòåíò Ðîññèè ¹ 2269796. 2004.
46 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
ÓÄÊ 681.786.24:531.717.8
ÌÅÒÎÄÛ ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÎÉ ÊÀËÈÁÐÎÂÊÈ ÌÍÎÃÎÊÀÍÀËÜÍÛÕ ÑÊÀÍÈÐÓÞÙÈÕ ÎÏÒÈÊÎ-ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÏÐÈÁÎÐÎÂ
© 2008 ã. È. Þ. Äìèòðèåâ, êàíä. òåõí. íàóê Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò êîìïëåêñíûõ èñïûòàíèé îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì, ã. Ñîñíîâûé Áîð, Ëåíèíãðàäñêàÿ îáëàñòü
Ðàññìîòðåíû âûñîêîïðîèçâîäèòåëüíûå ìåòîäû ýíåðãåòè÷åñêîé êàëèáðîâêè ìíîãîêàíàëüíûõ ñêàíèðóþùèõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ (ÎÝÏ), â ò. ÷ ìåòîä èçìåðåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ïðèáîðà. Ïî ðåçóëüòàòàì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ïðèâåäåí ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç îïèñàííûõ ìåòîäîâ.
Êîäû OCIS: 120.4800.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 15.05.2008.
Ïðè ðàçðàáîòêå ñîâðåìåííûõ ÎÝÏ íàáëþäàåòñÿ óñòîé÷èâàÿ òåíäåíöèÿ ñóùåñòâåííîãî óâåëè÷åíèÿ ÷èñëà êàíàëîâ èíôîðìàöèè (äî 3000 è áîëåå) ïóòåì èñïîëüçîâàíèÿ ìíîãîýëåìåíòíûõ ôîòîïðèåìíûõ óñòðîéñòâ (ÔÏÓ). Ýòî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíûì çàòðàòàì âðåìåíè íà èõ àòòåñòàöèþ ïî ñóùåñòâóþùèì ìåòîäèêàì, êîòîðûå îñíîâàíû íà ïîêàíàëüíîì èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ ÎÝÏ [1]. Óâåëè÷åíèå òðóäîåìêîñòè àòòåñòàöèè ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ – íå åäèíñòâåííàÿ ïðîáëåìà îáùåïðèíÿòûõ ìåòîäèê. Òðàäèöèîííî èñïîëüçóåìûé ìåòîä ïîêàíàëüíîãî èçìåðåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè öåíòðàëüíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ÔÏÓ. Òàêèì îáðàçîì, èçìåðÿåòñÿ ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñîîòâåòñòâóþùåãî êàíàëà ÎÝÏ. Ðåàëüíî çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè íîñèò âåðîÿòíîñòíûé õàðàêòåð [2], òàê êàê èçîáðàæåíèå ðåàëüíî íàáëþäàåìîãî îáúåêòà ðàñïîëàãàåòñÿ ñëó÷àéíûì îáðàçîì îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ è çàâèñèò â òîì ÷èñëå îò ïåëåíãàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê êàæäîé ïàðû ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ.
 ñòàòüå ðàññìàòðèâàþòñÿ òðè ìåòîäà èçìåðåíèÿ îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ, îáåñïå÷èâàþùèõ ñóùåñòâåííîå ïîâûøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ïðîöåññà àòòåñòàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ îáùåïðèíÿòûì ïîêàíàëüíûì ìåòîäîì èçìåðåíèÿ, âêëþ÷àÿ
ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ,
ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ, âåðîÿòíîñòíûé ìåòîä îöåíêè ïàðàìåòðîâ ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïåðâûå äâà ìåòîäà àòòåñòàöèè íå ìåíÿþò ïðèíöèïèàëüíîãî ïîäõîäà ê îöåíêå îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ÎÝÏ. Ñîêðàùàåòñÿ ëèøü òðóäîåìêîñòü ïðîöåññà àòòåñòàöèè, íî ñîõðàíÿåòñÿ ïðèíöèï, õàðàêòåðíûé äëÿ ïîêàíàëüíîé îöåíêè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè öåíòðàëüíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà íà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêå ìíîãîýëåìåíòíîãî ÔÏÓ. Òàêîé ìåòîä àòòåñòàöèè çàòðóäíÿåò ïîñëåäóþùåå èñïîëüçîâàíèå íàéäåííîãî ïàðàìåòðà ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ, òàê êàê îí íå ó÷èòûâàåò ïåëåíãàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè ïðèáîðà. Ïîýòîìó îáà ðàçðàáîòàííûõ ìåòîäà öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü íà ðàííèõ ýòàïàõ èçãîòîâëåíèÿ ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ. Òðåòèé ìåòîä îáåñïå÷èâàåò èçìåðåíèå âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìíîãîêàíàëüíûõ ÎÝÏ ïðè ðàâíîâåðîÿòíîì ðàçìåùåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ. Îí ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñîêðàòèòü âðåìÿ àòòåñòàöèè è îáåñïå÷èòü äàëüíåéøåå èñïîëüçîâàíèå ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ àòòåñòàöèè äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ ôîíîâûõ íàãðóçêàõ è àëãîðèòìàõ îáíàðóæåíèÿ.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå òàêèìè ïàðàìåòðàìè ìîãóò áûòü ïëîòíîñòü âåðîÿò-
42 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
íîñòè, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå è äèñïåðñèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè.
ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè íà ýòàïå ïðåäâàðèòåëüíîé îöåíêè ïàðàìåòðîâ ÎÝÏ.
Ìåòîä âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ÎÝÏ
Îäèí èç ñïîñîáîâ ñîêðàùåíèÿ âðåìåíè èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ çàêëþ÷àåòñÿ â âûáîðî÷íîì èçìåðåíèè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îòäåëüíûõ êàíàëîâ ïðèáîðà è ñîîòâåòñòâóþùåì ðàñïðîñòðàíåíèè ýòèõ èçìåðåíèé íà îöåíêó ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ â öåëîì. Ïðåäïîñûëêîé âîçìîæíîãî èñïîëüçîâàíèÿ óêàçàííîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ñîâðåìåííûå ìíîãîýëåìåíòíûå ÔÏÓ, êàê ïðàâèëî, ìîíòèðóþòñÿ èç îòäåëüíûõ ìîäóëåé, êàæäûé èç êîòîðûõ ñîñòîèò èç áîëüøîãî ÷èñëà (ñîòåí) ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ñîçäàííûõ ëèáî íà åäèíîì êðèñòàëëå, ëèáî íà åäèíîì ÷óâñòâèòåëüíîì ñëîå, è èõ õàðàêòåðèñòèêè â ïðåäåëàõ åäèíîãî ìîäóëÿ èìåþò îãðàíè÷åííûé ðàçáðîñ.
Äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé ïðîâåðêè óêàçàííîãî ìåòîäà èñïîëüçîâàëñÿ ìàêåò ÎÝÏ, ñîñòîÿùèé èç âûñîêîðàçðåøàþùåãî çåðêàëüíî-ëèíçîâîãî îáúåêòèâà ñ äèàìåòðîì âõîäíîãî çðà÷êà 500 ìì, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîòîðîãî óñòàíîâëåí ÔÏÓ â âèäå ëèíåéêè èç 197 ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Ñêàíèðîâàíèå ïîëÿ çðåíèÿ îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ çåðêàëüíîé ñèñòåìû ïóòåì ñìåùåíèÿ èçîáðàæåíèÿ ïîëÿ çðåíèÿ îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîé ëèíåéêè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Ìàêåò óñòàíàâëèâàëñÿ â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå êîëëèìàòîðíîé óñòàíîâêè, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè îáúåêòèâà êîòîðîé ðàçìåùàëñÿ òî÷å÷íûé èñòî÷íèê àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà (À×Ò). Ïîñëåäîâàòåëüíî äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ïðîâîäèëîñü èçìåðåíèå ñèãíàëîâ îò òî÷å÷íîé äèàôðàãìû è âû÷èñëÿëèñü ïîðîãîâûå çíà÷åíèÿ îáëó÷åííîñòè Eïîð.  ðåçóëüòàòå áûë ñôîðìèðîâàí ìàññèâ äàííûõ èç 197 çíà÷åíèé Eïîð. Äàëåå ñðàâíèâàëèñü âåëè÷èíû ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ (ÌÎ) è äèñïåðñèè (ÑÊÎ) ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èñõîäíîãî ìàññèâà è ñôîðìèðîâàííûõ ÷åðåç 1, 2…10 ýëåìåíòîâ âûáîðîê (òàáë. 1).
Êàê âèäíî èç òàáë. 1 ðàçáðîñ çíà÷åíèé ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ è äèñïåðñèè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåõ äåñÿòè ðàñïðåäåëåíèé îòíîñèòåëüíî íåâåëèê, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü
Ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ
Ãëàâíûì íåäîñòàòêîì ìåòîäà âûáîðî÷íîé îöåíêè îñíîâíîãî ïàðàìåòðà ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ ïðè åãî åùå äîñòàòî÷íî âûñîêîé òðóäîåìêîñòè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ýòîò ìåòîä íå ïîçâîëÿåò âûÿâèòü íåðàáîòàþùèå êàíàëû. Ìåòîä ùåëåâîãî èñòî÷íèêà ñâîáîäåí îò ýòèõ íåäîñòàòêîâ.
Äëÿ ðåàëèçàöèè ýòîãî ìåòîäà â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîëëèìàòîðíîé óñòàíîâêè âìåñòî èçëó÷àþùåé äèàôðàãìû (òî÷å÷íûé èçëó÷àòåëü) óñòàíàâëèâàåòñÿ ùåëåâàÿ èçëó÷àþùàÿ äèàôðàãìà (ñâåòÿùàÿñÿ ëèíèÿ), ïîïåðå÷íûé ðàçìåð êîòîðîé îòâå÷àåò óñëîâèÿì òî÷å÷íîãî èçëó÷àòåëÿ, à åå äëèíà îáåñïå÷èâàåò çàñâåòêó îäíîâðåìåííî áîëüøîãî ÷èñëà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð, çàñâåòêó áëîêà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. Òàêîé èñòî÷íèê èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò çà îäèí ïåðèîä ñêàíèðîâàíèÿ èçìåðèòü ñèãíàë, è òåì ñàìûì îïðåäåëèòü ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü áîëüøîãî ÷èñëà ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ÷òî â äåñÿòêè ðàç ñîêðàùàåò âðåìÿ ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé. Ôàêòè÷åñêè òàêîé ìåòîä ïîçâîëÿåò ñíÿòü ñèãíàë ñ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ÔÏÓ è îäíîâðåìåííî îïðåäåëèòü îáùåå êîëè÷åñòâî è íîìåðà äåôåêòíûõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ äîëæíû áûòü ñîáëþäåíû îïðåäåëåííûå óñëîâèÿ ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðåíèé. Âî-ïåðâûõ, âðåìåííûå ïàðàìåòðû ñèãíàëà ïðè ñêàíèðîâàíèè èçîáðàæåíèÿ ùåëè ïî ÷óâñòâèòåëüíîìó ýëåìåíòó äîëæíû áûòü àíàëîãè÷íû ïàðàìåòðàì, âîçíèêàþùèì ïðè ñêàíèðîâàíèè òî÷å÷íûì èñòî÷íèêîì. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî âûøåïðèâåäåííûå òðåáîâàíèÿ ïî âðåìåííûì ïàðàìåòðàì âûïîëíÿþòñÿ, åñëè ðàçìåð ùåëè â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ ðàâåí äèàìåòðó òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà.
Âòîðûì óñëîâèåì ïðèìåíåíèÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ ðàâåíñòâî ëó÷èñòûõ ïîòîêîâ, äîñòèãàþùèõ ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà è îò ùåëè. Ïðè ðàâåíñòâå ýíåðãåòè÷åñêèõ ÿðêîñòåé ðàññìàòðèâàåìûõ èñòî÷íèêîâ ëó÷èñòûé ïîòîê îò ùåëè â δa/(πδ2/4) ðàç áîëüøå, ÷åì
Òàáëèöà 1
Âûáîðêà îò îáùåãî ÷èñëà êàíàëîâ ÎÝÏ, %
100
50 33,30
25
20
17 14 12,50 11 10
ÌÎ Eïîð, îòí. åä. ÑÊÎ Eïîð, îòí. åä.
6,93 0,923
6,94 0,92
6,86 0,84
6,88 7,26 6,86 6,7 6,95 6,92 7,5 0,73 1,1 0,84 0,74 0,78 0,85 1,28
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
43
îò òî÷å÷íîé äèàôðàãìû, ãäå δ – äèàìåòð òî÷å÷íîãî èçëó÷àòåëÿ (ðàâåí ïîïåðå÷íîìó ðàçìåðó ùåëè); a – ðàçìåð ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ. Äëÿ óðàâíèâàíèÿ ëó÷èñòûõ ïîòîêîâ â õîäå ëó÷åé îò ùåëåâîãî èñòî÷íèêà óñòàíàâëèâàåòñÿ íåéòðàëüíûé ñâåòîôèëüòð ñ ïðîïóñêàíèåì τ = (π/4)(δ/a). Ïðè ðàáîòå â ëèíåéíîì äèíàìè÷åñêîì äèàïàçîíå ÎÝÏ äîïóñêàåòñÿ âìåñòî ñâåòîôèëüòðà èñïîëüçîâàíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîïðàâî÷íûõ êîýôôèöèåíòîâ.
 òàáë. 2 ïðèâåäåíû ðàñ÷åòíûå çíà÷åíèÿ ÌÎ è ÑÊÎ ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïîëó÷åííûõ ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè.
Êàê âèäíî èç òàáë. 2, íåñìîòðÿ íà ðàâåíñòâî ïîòîêîâ èçëó÷åíèÿ çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ ùåëè íåñêîëüêî ìåíüøå, ÷åì äëÿ òî÷êè, ò. å. ïîðîãîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü íåñêîëüêî âûøå. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè îáúåêòèâîì äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà íåñêîëüêî ìåíüøå, ÷åì êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà. Äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îáëó÷åííîñòü â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé â ïðåäåëàõ âñåãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ïîýòîìó ïîòåðÿ ëó÷èñòîãî ïîòîêà íàáëþäàåòñÿ òîëüêî ïî íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ. Ïðè ýòîì êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè äëÿ ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ áóäåò íåñêîëüêî áîëüøå, ÷åì äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ è ïðèìåðíî ñîñòàâèò âåëè÷èíó, ðàâíóþ η, ãäå η – êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè äëÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Ðàçëè÷èå êîýôôèöèåíòîâ êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè íå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì äëÿ âñåõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ â ñèëó ðàçëè÷èÿ àáåððàöèé îáúåêòèâà äëÿ ðàçíûõ ïëîùàäîê, ðàçáðîñà ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ ÷óâñòâèòåëüíûõ ïëîùàäîê, íåðàâíîìåðíîñòè ÷óâñòâèòåëüíîñòè â ïðåäåëàõ ïëîùàäêè è ìíîãèõ äðóãèõ ôàêòîðîâ.  ýòîì çàêëþ÷àåòñÿ îñíîâíîé íåäîñòàòîê ìåòîäà ùåëåâîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî äèñïåðñèÿ ýòèõ ïîïðàâî÷íûõ êîýôôèöèåíòîâ íå ñòîëü âåëèêà, è ïîýòîìó ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñðåäíåå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà êîíöåíòðàöèè. Ïðè ðàñ÷åòå ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ â öåëîì îøèáêà
Òàáëèöà 2
Ïàðàìåòðû ðàñïðåäåëåíèÿ
ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñ òî÷å÷íûì èçëó÷àòåëåì
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñî ùåëåâûì èñòî÷íèêîì
Çíà÷åíèÿ, ïîëó÷åííûå ñ ìàòðè÷íûì
òåñòîáúåêòîì
ÌÎ, îòí. åä.
6,93
6,18
6,41
ÑÊÎ, îòí. åä.
0,923
0,801
0,885
îò èñïîëüçîâàíèÿ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà îêàçûâàåòñÿ ìàëî çàìåòíîé.
Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ
Ñèãíàë îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ çàâèñèò îò ïîëîæåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ ÎÝÏ. Ïðè ñîâïàäåíèè ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ è öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè ñèãíàë ìàêñèìàëüíûé. Ïðè ñìåùåíèè èçîáðàæåíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè ñèãíàë óìåíüøàåòñÿ è äîñòèãàåò ñâîåãî ìèíèìóìà ïðè ðàñïîëîæåíèè öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà â çàçîðå ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè ïëîùàäêàìè, ïðè÷åì îïòè÷åñêèé ñèãíàë ïðèìåðíî ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëÿåòñÿ ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè ÷óâñòâèòåëüíûìè ïëîùàäêàìè è ÷àñòè÷íî òåðÿåòñÿ â çàçîðå è çà ñ÷åò êðàåâûõ ýôôåêòîâ ÷óâñòâèòåëüíûõ ïëîùàäîê. Ïîýòîìó íà ïðàêòèêå ñèãíàë ñ êàæäîé èç äâóõ ïëîùàäîê ñîñòàâëÿåò íå 50% îò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, à 20–30%, è â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì ìåæäó ðàçìåðàìè ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè è ïÿòíà ðàññåÿíèÿ èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà, îïðåäåëÿåìîãî îïòè÷åñêèì êà÷åñòâîì îáúåêòèâà. Çàâèñèìîñòü ñèãíàëà îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ è îò ñìåùåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, íàçûâàåòñÿ ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêîé.
Î÷åâèäíî, ÷òî çíà÷åíèå ìàêñèìàëüíîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè, êîòîðîå èìååò ìåñòî ïðè ñîâïàäåíèè ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà è öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷àñòíûé ñëó÷àé, êîòîðûé íå ïîçâîëÿåò â ïîëíîé ìåðå ñóäèòü î õàðàêòåðèñòèêàõ îáíàðóæåíèÿ ÎÝÏ, è ñêîðåå ñâèäåòåëüñòâóåò ëèøü î êà÷åñòâå ñáîðêè, þñòèðîâêè è íàñòðîéêè ÎÝÏ.
Äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÎÝÏ íåîáõîäèìû çíàíèÿ çàâèñèìîñòè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè îò ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè, à òàêæå âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ðàñïîëîæåíèÿ èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè. Òàêèì îáðàçîì, ïîðîãîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÎÝÏ ÿâëÿåòñÿ âåëè÷èíîé ñëó÷àéíîé è èçìåíÿåòñÿ â íåêîòîðûõ ïðåäåëàõ îò Enmin äî Enmax ñ îïðåäåëåííîé ñòåïåíüþ âåðîÿòíîñòè.
44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
Îáû÷íî äëÿ ðàñ÷åòà îáíàðóæèòåëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÎÝÏ ïðèíèìàåòñÿ àïðèîðíàÿ èíôîðìàöèÿ î ðàâíîâåðîÿòíîì ðàñïîëîæåíèè èçîáðàæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ. (Íà ïðàêòèêå ýòîò çàêîí ñîáëþäàåòñÿ íå âñåãäà, íàïðèìåð, â ñèñòåìàõ ÎÝÏ, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìàõ ñàìîíàâåäåíèÿ, öåíòðàëüíîå ðàñïîëîæåíèå èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà áîëåå âåðîÿòíî, ÷åì êðàéíåå åå ðàñïîëîæåíèå, ÷òî ñîîòâåòñòâåííî ìîæåò ó÷èòûâàòüñÿ.)
Äëÿ ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè ñïîñîáà îïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü èçìåðåíèå çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëîâ ñî âñåõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ îò ñìåùåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ öåíòðîâ èçîáðàæåíèé òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ïèêñåëîâ ÔÏÓ, ò. å. èçìåðåíèå ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ÷èñëî êàíàëîâ èíôîðìàöèè ñîâðåìåííûõ ñêàíèðóþùèõ ÎÝÏ äîñòèãàåò íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ è â ïåðñïåêòèâå èìååò óñòîé÷èâóþ òåíäåíöèþ äàëüíåéøåãî ðîñòà, ðåàëèçàöèÿ ýòèõ èçìåðåíèé ñ ïîìîùüþ òðàäèöèîííûõ ìåòîäîâ ïîêàíàëüíîé àòòåñòàöèè ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíà.
 ðàáîòå [3] ïðåäëîæåí ïðèíöèïèàëüíî íîâûé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâ-
ñòâèòåëüíîñòè êàæäîãî êàíàëà â îòäåëüíîñòè è ìíîãîêàíàëüíîãî ñêàíèðóþùåãî ÎÝÏ â öåëîì.  ýòîì ìåòîäå ïîêàíàëüíàÿ èíôîðìàöèÿ ñ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ñîäåðæèòñÿ â îáùåé èíôîðìàöèè ëèøü êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé. Èçìåðåíèÿ îñóùåñòâëÿþòñÿ ñ ïîìîùüþ äëèííîôîêóñíîãî âûñîêîòî÷íîãî êîëëèìàòîðà, â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè êîòîðîãî ðàçìåùàåòñÿ òåñò-îáúåêò â âèäå èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ, ôîðìèðóþùèõ â ïîëå îáçîðà ÎÝÏ ñîâîêóïíîñòü òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â âèäå ìàòðèöû ñ ðåãóëÿðíîé ñòðóêòóðîé ñòîëáöîâ è ñòðîê (ñì. ðèñóíîê).  ìàòðèöå òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ íàïðàâëåíèå ñòîëáöîâ ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì ëèíåéêè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ. Ðàçìåùåíèå òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â ñòîëáöå è ñòðîêå îáåñïå÷èâàåò ïðè ñêàíèðîâàíèè â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñòîëáöîâ, ðåãèñòðàöèþ ôîòîïðèåìíûì óñòðîéñòâîì ðàñïðåäåëåíèÿ ñèãíàëîâ, ïðîïîðöèîíàëüíûõ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåõ ïîëîæåíèé ýíåðãåòè÷åñêèõ öåíòðîâ èçîáðàæåíèé òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèé îòíîñèòåëüíî öåíòðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ÔÏÓ, ò. å. õàðàêòåð ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ÎÝÏ.
Íà ðèñóíêå ïðèâåäåí âèä èçîáðàæåíèÿ òåñòîáúåêòà â ïëîñêîñòè ÔÏÓ äëÿ ÎÝÏ, ó êîòîðîãî ðàç-
2 t
1
a
íàïðàâëåíèå ñêàíèðîâàíèÿ ëèíåéêè ÔÏÓ Δa
Èçîáðàæåíèå òåñò-îáúåêòà â ïëîñêîñòè Ô×Ý ïðè èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ. 1 – ëèíåéêà Ô×Ý, 2 – èçîáðàæåíèå òåñò-îáúåêòà â ïëîñêîñòè Ô×Ý. à – øàã ôîòî-÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, Δà – ñìåùåíèe èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, t – øàã èçëó÷àòåëåé â ñòðîêå ìàòðèöû òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008
45
ìåð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ñîãëàñîâàí ñ ðàçìåðîì ïÿòíà ðàññåÿíèÿ îïòè÷åñêîé ñèñòåìû. Èçëó÷àòåëè â ñòîëáöàõ ìàòðèöû â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, ðàçìåùåíû ñ èíòåðâàëîì 2a, ãäå a – øàã ôîòî÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ â ëèíåéêå ÔÏÓ. Øàã t èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå â íàïðàâëåíèè ñêàíèðîâàíèÿ äîëæåí áûòü t ≥ Vτ, ãäå V – ñêîðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ, τ – âðåìÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ ÔÏÓ. Ïðè ýòîì èñòî÷íèêè â ñòðîêå ñìåùåíû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ íà Δa = 2at/D, ãäå D – ðàçìåð ëèíåéíîãî ïîëÿ îáçîðà ÎÝÏ. Çíà÷åíèå ýòîãî ñìåùåíèÿ îïðåäåëÿåò ÷èñëî îïðîñîâ êàæäîãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà (Ô×Ý), êîòîðîå çàäàåòñÿ ñ ó÷åòîì òðåáîâàíèé ê òî÷íîñòè îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè è ñîîòíîøåíèÿ ðàçìåðîâ Ô×Ý è çàçîðîâ ìåæäó íèìè. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî èçìåðåíèå ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ïîãðåøíîñòüþ íå áîëåå 3–5% îáåñïå÷èâàåòñÿ óæå ïðè íàëè÷èè 10 îòñ÷åòîâ íà Ô×Ý, ïðè ñîîòíîøåíèè “ðàçìåð Ô×Ý”/“ðàçìåð çàçîðà”, ðàâíîì ïðèáëèçèòåëüíî 0,2.
Ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðåíèé ÎÝÏ þñòèðóþò îòíîñèòåëüíî òåñòîâîãî îáúåêòà òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íàïðàâëåíèå ñòîëáöîâ ìàòðèöû èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ áûëî ñîâìåùåíî ñ íàïðàâëåíèåì ëèíåéêè Ô×Ý, à ïëîùàäêè ëèíåéêè Ô×Ý, íàïðèìåð íå÷åòíûå, âûñòàâëÿþòñÿ öåíòðè÷íî îòíîñèòåëüíî ïåðâîãî ñòîëáöà ìàòðèöû. Ïðè ñêàíèðîâàíèè ñíèìàþò íà âûõîäå ñîîòâåòñòâåííî ÷åòíûõ Ô×Ý ñèãíàëû, âûðàáàòûâàåìûå ïðè ïåðåñå÷åíèè èìè òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ â ñòðîêå, êîòîðûå ñìåùåíû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà â íàïðàâëåíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì íàïðàâëåíèþ ñêàíèðîâàíèÿ, íà äèñêðåòíóþ âåëè÷èíó Δa â ïðåäåëàõ ± à îòíîñèòåëüíî öåíòðà ïëîùàäêè. Øàã èñòî÷íèêîâ â ñòîëáöàõ âûáèðàåòñÿ â äâà ðàçà áîëüøå øàãà Ô×Ý, ÷òî èñêëþ÷àåò âçàèìíîå âëèÿíèå èñòî÷íèêîâ íà êîíòðîëèðóåìûå Ô×Ý, òàê êàê èñêëþ÷åíà âîçìîæíîñòü ïîïàäàíèÿ èçëó÷åíèÿ îò òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îäíîâðåìåííî íà äâà ñîñåäíèõ ýëåìåíòà. Ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó òî÷å÷íûìè èñòî÷íèêàìè â ñòðîêàõ t ≥ Vτ îáåñïå÷èâàåò íåçàâèñèìîñòü ñèãíàëüíûõ îòêëèêîâ, ôîðìèðóåìûõ íà âûõîäå Ô×Ý ïðè ñêàíèðîâàíèè.
Ñèãíàëû ñ ÷åòíûõ ïëîùàäîê Ô×Ý õàðàêòåðèçóþò èõ ýíåðãåòè÷åñêóþ ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äëÿ âñåãî äèàïàçîíà âçàèìíûõ ïîëîæåíèé òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà ïëîùàäêè, ò. å. õàðàêòåð ðàñïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííîé õàðàêòåðèñòèêè ÎÝÏ. Èçìåðåíèÿ ïîâòîðÿþò äëÿ íå÷åòíûõ ïëîùàäîê, ïðè ýòîì ÷åòíûå ïëîùàäêè ïðåäâàðèòåëüíî þñòèðóþò
öåíòðè÷íî îòíîñèòåëüíî òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ïåðâîãî ñòîëáöà ìàòðèöû. Ïî ïîëó÷åííûì çíà÷åíèÿì ìîãóò áûòü ðàññ÷èòàíû âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÎÝÏ, òàêèå êàê ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèãíàëà çà N ñêàíîâ äëÿ êàæäîãî Ô×Ý è äëÿ êàæäîãî ïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà îòíîñèòåëüíî öåíòðà Ô×Ý, ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ êàæäîãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ýíåðãåòè÷åñêóþ ïîðîãîâóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà äëÿ âñåõ çàäàííûõ òåñòîâûì îáúåêòîì ïîëîæåíèé òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ êàæäîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà ïðè óñëîâèè ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðà ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà, ìàòåìàòè÷åñêîå îæèäàíèå ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âñåé ñîâîêóïíîñòè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ óñëîâèÿ ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ëþáîé òî÷êå ïîëÿ çðåíèÿ ÎÝÏ, äèñïåðñèþ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ âñåé ñîâîêóïíîñòè ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ óñëîâèÿ ðàâíîâåðîÿòíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ëþáîé òî÷êå ïîëÿ çðåíèÿ ÎÝÏ è äð.
Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ïðîâåðêè ìàòåìàòè÷åñêîãî îæèäàíèÿ ïîðîãîâîé îñâåùåííîñòè ìàêåòà ìíîãîêàíàëüíîãî ÎÝÏ ñ ó÷åòîì ïåëåíãàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê è ðàçáðîñà ÷óâñòâèòåëüíîñòè Ô×Ý, ïîëó÷åííûå ïî òî÷å÷íîìó è ìàòðè÷íîìó èñòî÷íèêàì, ïîêàçàëè õîðîøåå ñîâïàäåíèå (òàáë. 2). Ïðè ýòîì ïðîèçâîäèòåëüíîñòü èçìåðåíèé ìåòîäîì ìàòðè÷íûõ èñòî÷íèêîâ âûøå â äåñÿòêè ðàç, à ïîëó÷àåìàÿ èíôîðìàöèÿ î ïðèáîðå áîëåå íàñûùåíà.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. ÃÎÑÒ 17772-88. Ïðèåìíèêè èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå ôîòîýëåêòðè÷åñêèå è ôîòîïðèåìíûå óñòðîéñòâà. Ìåòîäû èçìåðåíèÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ è îïðåäåëåíèå õàðàêòåðèñòèê. Ì.: Èçäàòåëüñòâî ñòàíäàðòîâ, 1988. 64 ñ.
12. Ìèðîøíèêîâ Ì.Ì. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû îïòèêîýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ. Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1977. 600 ñ.
13. Ãðèäèí À.Ñ., Äìèòðèåâ È.Þ., Âàñèëüåâ Â.Í. Ñïîñîá îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîé ïîðîãîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìíîãîêàíàëüíîãî ñêàíèðóþùåãî òåïëîïåëåíãàòîðà è òåñòîâûé îáúåêò äëÿ åãî îñóùåñòâëåíèÿ // Ïàòåíò Ðîññèè ¹ 2269796. 2004.
46 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 11, 2008