Способ получения статистического распределения фотоотсчетов оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТООТСЧЕТОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФОТОПРИЕМНИКОМ, РАБОТАЮЩИМ В РЕЖИМЕ СЧЕТА ФОТОНОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ получения статистического распределения фотоотсчетов оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов, в котором временной интервал измерения разбивают на заданное число отдельных одинаковых подынтервалов, осуществляют подсветку фотоприемника световым потоком и подсчитывают количество подынтервалов 0 , 1 ,, за каждый из которых было зарегистрировано соответственно 0, 1, ,импульсов, где- максимальное из зарегистрированных в пределах одного подынтервала количество импульсов, затем в течение такого же временного интервала измерения 14764 1 2011.08.30 затемняют фотоприемник и подсчитывают количество 0, 1, подынтервалов, за каждый из которых было зарегистрировано соответственно 0,1 темновых импульсов, где- максимальное из зарегистрированных в пределах одного подынтервала количество темновых импульсов, далее составляют матрицу 0 0 0 00 00 1 0 12 преобразуют ее путем увеличения размерности до 1 с заменой недостающих элементов нулями, а затем получают искомое распределение в виде матрицы вероятностей ,где 0, в соответствии с выражением 0000(0) где- определитель преобразованной матрицы 00 - алгебраические дополнения соответствующих ее элементов. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения статистики фотоотсчетов оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в статистической оптике. В работе 1 рассмотрены способы определения статистического распределения фотоотсчетов фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, один из которых заключается в накоплении в многоканальном цифровом анализаторе количества импульсов,поступающих в него за времяизмерения от фотоприемника. Проводя многократно такие измерения, можно получить статистическое распределение фотоотсчетов фотоприемника. Известен другой способ измерения нулевой вероятности фотоотсчетов (0) фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов 2, который является наиболее близким к заявляемому (прототип), заключающийся в том, что весь временной интервал регистрации светового потока разбивается на отдельные подынтервалы, проверяется наличие на этих подынтервалах сигнальных импульсов, подсчитывается количество подынтервалов, на которых не поступило ни одного события, и общее число импульсов на всем интервале,вычисляются вероятность нулевого события и интенсивность входного потока. Однако эти способы измерения статистического распределения фотоотсчетов фотоприемником имеют недостатки, заключающиеся в том, что в фотоприемнике, работающем в режиме счета фотонов, присутствуют темновые импульсы. Темновые импульсы - это импульсы, которые возникают на выходе фотоприемника в результате термогенерации в нем свободных носителей заряда. Они образуются в фотоприемнике как в присутствии, так и в отсутствии падающего на него оптического излучения. Темновые импульсы искажают статистику фотоотсчетов, что приводит к увеличению погрешности измерения статистического распределения фотоотсчетов. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений статистического распределения фотоотсчетов фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, за счет устранения погрешности, вносимой темновыми импульсами. 2 14764 1 2011.08.30 Способ получения статистического распределения фотоотсчетов оптического излучения фотоприемником, работающим в режиме счета фотонов, в котором временной интервал измерения разбивают на заданное число отдельных одинаковых подынтервалов, осуосуществляют подсветку фотоприемника световым потоком и подсчитывают количество подынтервалов 0 , 1 ,, за каждый из которых было зарегистрировано соответственно 0,1, ,импульсов, где- максимальное из зарегистрированных в пределах одного подынтервала количество импульсов, затем в течение такого же временного интервала измерения затемняют фотоприемник и подсчитывают количество 0, 1,подынтервалов, за каждый из которых было зарегистрировано соответственно 0,1 темновых импульсов, где- максимальное из зарегистрированных в пределах одного подынтервала количество темновых импульсов, далее составляют матрицу 0 0 0 00 00 1 0 12 преобразуют ее путем увеличения размерности до 1 с заменой недостающих элементов нулями, а затем получают искомое распределение в виде матрицы вероятностей ,где 0, в соответствии с выражением 0000(0) где- определитель преобразованной матрицы 00 - алгебраические дополнения соответствующих ее элементов. Для фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, число импульсов, поступающих на вход системы регистрации, представляет собой сумму двух независимых случайных величин числа темновых импульсов и числа фотоотсчетов. Поэтому вероятностное распределение числа выходных импульсов рна выходе такого фотоприемника можно представить в виде где- вероятность зарегистрироватьфотоотсчетов и- вероятность зарегистрироватьтемновых импульсов- число импульсов на выходе фотоприемника. Рассмотрим способ получения статистического распределения фотоотсчетов в счетчике фотонов, на выходе которого регистрируются не только сигнальные импульсы, но и темновые. Этот способ заключается в том, что вначале весь интервал измерения длительностьюделят наподынтервалов равной длительности , затем выполняется измерение количества импульсов на всем интервале в присутствии внешней подсветки фотоприемника,осуществляются подсчеты количества подынтервалов, на которых не было зарегистрировано ни одного импульса, количества подынтервалов, на которых был зарегистрирован один импульс, и т.д., пока не пересчитают все подынтервалы. Затем проделывают те же действия и измерения, но в отсутствии оптического излучения. 14764 1 2011.08.30 Вероятностии р зарегистрироватьимпульсов на выходе счетчика фотонов за время , в отсутствии и присутствии внешней засветки определяются по следующим формулам гдеи- количество подынтервалов на которых зарегистрированоимпульсов в отсутствии и в присутствии внешней подсветки соответственно. Поскольку в реальном эксперименте за времяможно зарегистрировать только конечное число импульсов, то максимальное количество импульсов, зарегистрированных за , равнопри наличии внешней подсветки ив случае ее отсутствия. Тогда, используя выражения (1) и (2),можно составить следующую систему уравнений 00 (0)10 (1)1(0)20 (2)1(1)3(0) где 0, 1, - соответственно количество подынтервалов, на которых зарегистрирова но от нуля доимпульсов при затемнении фотоприемника,0 , 1 ,- соответственно количество подынтервалов, на которых зарегистрировано от нуля доимпульсов включительно при подсветке фотоприемника. На основании системы (3) составляют матрицу , которая имеет следующий вид 0 0 0 00 00 1 0 12 При этом число строк в матрице , а число столбцов . В случае когдаувеличивают число столбцов до . При этом недостающие элементы матрицы заменяют нулями. После чего находят решение системы (3)0000(0) где- определитель матрицы (5), а 01 - алгебраические дополнения матрицы (4). Измерив значения 0, 1, ,и 0 , 1 ,, на основании выражения (5) находим распределение . Для реализации этого способа можно предложить устройство, схема которого представлена на фиг. 1, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2. Устройство включает в себя фотоприемник Ф, усилитель У, дискриминатор Д, таймер ,генератор Г, -триггер 1, -триггер ТР 2, логические элементы И ЛИ 0, ЛИ 1, ЛИ 2,ЛИ 3, ЛИ 4, резистори счетчики импульсов Сч, Сч 0, Сч 1, Сч 2, Сч 3, Сч 4, сдвиговый ре 4 14764 1 2011.08.30 гистр , логические элементы ИЛИ ЛЕ. Заявляемый способ проиллюстрируем на примере функционирования устройства. По приходу сигнала запуска таймераэтот же импульс обнуляет все счетчики импульсов и сдвиговый регистр. Таймерзадает временной интервал измерения длительностьюи запускает генератор Г. Генератор разделяет весь интервал измерения на равные по длительности подынтервалы прямоугольными импульсами. Число подынтервалов подсчитывается счетчиком Сч. На тактирующие входытриггера 1 и сдвигового регистрапоступают импульсы с фотоприемника Ф через усилитель импульсов У и дискриминатор Д, на входтриггера 1 через резисторподается постоянное напряжение , которое поддерживает уровень соответствующий логической единице на этом входе. С инвертирующего выхода триггера 1 на вход 1 логического элемента ЛИ 0 подается уровень напряжения, соответствующий логической единице, пока на тактирующий входтриггера 1 не поступит импульс с дискриминатора. Тогда 1 переключается и на его инвертирующем выходе появляется уровень, соответствующий логическому нулю. Такой уровень остается в течение всего подынтервала времени независимо от того, сколько сигналов поступит на тактирующий вход . На выходе логического элемента ЛИ 0 будет наблюдаться логический нуль до тех пор, пока на 1 и 2 входах его не появятся одновременно уровни напряжения, соответствующие логической единице. Логическая единица на первом входе элемента ЛИ 0 может наблюдаться в течение всего подынтервала времени, если на тактирующий вход триггера 1 за это время не поступает ни одного импульса от дискриминатора. Уровень, равный логической единице на втором входе, может появиться только после окончания подынтервала измерения и подается от генератора Г. Если в течение времени подынтервала на вход устройства не поступило ни одного импульса, то по окончании интервала измерения на выходе логического элемента ЛИ 0 сформируется импульс, который и сосчитается счетчиком Сч 0. По окончании подынтервала времени триггер 1 сбрасывается в состояние, соответствующее логическому нулю импульсом генератора Г. Входтриггера ТР 2 соединен с первым выходом сдвигового регистра . Инвертирующий выход этого триггера подключен к входурегистра . На всех выходах регистра будет наблюдаться уровень, соответствующий логическому нулю, до тех пор пока на тактирующий входрегистра не поступит импульс от дискриминатора. При поступлении импульса на входлогическая единица, присутствующая на входерегистра, записывается в него и появляется на первом выходе . При этом срабатывает триггер ТР 2 и на его инвертирующем выходе появляется логический нуль. Если в течение подынтервала на тактирующий вход регистрапоступит еще импульс, то логическая единица появится на втором выходе . При этом на остальных выходах регистра будут наблюдаться уровни, соответствующие логическому нулю. В случае поступления за подынтервал времениимпульсов логическая единица появится на -ом выходе регистра. Отметим, что на фиг. 1 мы ограничились только четырьмя выходами регистра, однако число их можно увеличить, подключив последовательно еще несколько регистров. Таким образом, логическая единица появляется на том выходе регистра, порядковый номер которого соответствует числу импульсов, поступивших за время этого подынтервала на его вход . Логическая единица с выхода регистраподается на первый вход логического элемента И, подсоединенного к тому выходу, где она наблюдается. По приходу импульса с генератора Г на второй вход этого логического элемента логическая единица передается на выход логического элемента и сосчитывается счетчиком, подключенным к этому элементу. По окончании импульса генератора Г сбрасываются в исходное состояние триггеры 1,2 и регистр . Импульс сброса от генератора Г поступает на триггер 2 и регистрчерез элемент ЛЕ. Счетчик Сч подключен к генератору Г и подсчитывает общее числоподынтервалов за время измерения . 14764 1 2011.08.30 Когда таймеростановит измерение, то счетчик Сч 0 сосчитает все подынтервалы с нулевыми событиями. Счетчик Сч 1 сосчитает подынтервалы, на которых регистрируется один импульс, счетчик Сч 2 - подынтервалы, на которых регистрируется два импульса, и т.д. Поэтому в каждом счетчике устройства будет содержаться информация, считывая которую в отсутствии и присутствии внешней подсветки, а также используя формулу (2),можно вычислить вероятностии рст. Статистическое распределение фотоотсчетов рассчитывается по формуле (5). Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность измерений статистического распределения фотоотсчетов фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, за счет устранения погрешности, вносимой темновыми импульсами. Источники информации 1. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск Университетское, 1989. - С. 257. 2. Патент 9518, МПК 01 1/00, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.