CALIBRACIÓN DE RESPONSIVIDAD ABSOLUTA DE DETECTORES FOTOMÉTRICOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA CANDELA

Transcripción

1 imposio d trología 25 al 27 d Octubr d 2006 CALBRACÓN DE REPONVDAD ABOLUTA DE DETECTORE FOTOÉTRCO PARA LA REALZACÓN DE LA CANDELA J. C. olia, J. C. Brmúdz Ctro Nacioal d trología, km 4,5 Carrtra a los Cués, El arqués, Qro. éxico. Rsum: La cadla (cd), ua d las uidads bas dl sistma itracioal s cutra matrializada l CENA a través dl patró acioal d itsidad lumiosa CN-PNF-4, l cual sta formado por u cojuto d lámparas patró y dtctors d rsposividad fotópica (dtctors fotométricos) ambos co trazabilidad al Laboratorio Nacioal d Almaia (PTB). Actualmt l CENA s stá implmtado ua mtodología co la fialidad d obtr la matrializació d sta uidad (cd), mplado dtctors fotométricos co trazabilidad al patró acioal d flujo radiat CN-PNF-12 (Radiómtro Criogéico). E st trabajo s prsta los sistmas stablcidos CENA para la calibració d la rsposividad absoluta d dtctors fotométricos co trazabilidad al radiómtro criogéico así como los rsultados d la calibració. 1. NTRODUCCÓN La uidad d itsidad lumiosa, la cadla (cd) ua d las sit uidads d bas dl sistma itracioal (), s cutra matrializada l Ctro Nacioal d trología (CENA) a través dl patró acioal d tsidad lumiosa CN- PNF-4, l cual sta formado por u cojuto d lámparas y dtctors co rsposividad fotópica (dtctors fotométricos) sido st método, hasta hac alguos años ua práctica comú, rápida y scilla mplada por distitos laboratorios acioals d mtrología. La trazabilidad actual d las lámparas y dtctors qu forma l patró acioal d itsidad lumiosa s cutra a través dl laboratorio acioal d Almaia (PTB). Actualmt los trabajos d distitos laboratorios acioals d mtrología s cutra oritados a la matrializació y matimito d sta uidad bas mdiat la calibració d la rsposividad absoluta d dtctors d rsposividad fotópica (dtctors fotométricos), los cuals prsta vtajas como; bajo coficit d vjcimito, so robustos lo cual prmit ua fácil trasportació, cuta co ua bua stabilidad corto timpo, su aliació s rlativamt scilla comparació co ua lámpara. Está y otras caractrísticas so las qu ha motivado la ralizació y matimito d la uidad (cd) a través d st tipo d dtctors. E st trabajo s prsta la mtodología sguida por l laboratorio d Espctrorradiomtría d Dtctors dl CENA para implmtar la calibració d la rsposividad absoluta d dtctors fotométricos co trazabilidad al patró primario d flujo radiat CN-PNF-12 (Radiómtro Criogéico) así como los sistmas mplados las mdicios y los rsultados obtidos. 2. DETECTOR FOTOÉTRCO U dtctor fotométrico (o fotómtro) s u istrumto qu mid magituds fotométricas (lumiacia, Lumiacia, Rsposividad lumiosa), s dcir, qu mid la luz d tal forma qu su rsposividad s aproxima lo más posibl a la ssació visual rportada por l obsrvador humao stádar xpusto a la misma radiació. Gralmt u dtctor fotométrico patró costa d u fotodiodo d silicio, u filtro V(), ua abrtura y alguos casos u difusor, figura 1. Photodiodo d ilicio. Filtro V(). Abrtura d prcisió Figura 1: Compots d u dtctor fotométrico. 1

2 imposio d trología 25 al 27 d Octubr d Rsposividad lumiosa d dtctors fotométricos oocromador La rsposividad lumiosa d u dtctor fotométrico uidads fotométricas (Alux) (domiada tambié ssibilidad fotométrica) s dtrmia a partir d la mdició d su rsposividad spctral rlativa y su rsposividad absoluta a ua logitud d oda d rfrcia d 632,8 m [6]. Ecuació 1. Fut d corrit stabilizada ódulo d cotrol Dt Dt OPT- 100 Ril Cubirta sllada PC O 100 A A li lx dod: Km ( 632,8) s V, (1) li : Rsposividad lumiosa (Alux). (632,8): Rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico a 632,8 m. (): Distribució spctral d la fut( lumiat tipo A ). (): Rsposividad spctral rlativa dl dtctor fotométrico. V(): Eficicia spctral lumiosa para la visió fotópica [8]. Km: Eficicia spctral lumiosa máxima (683 lmw). A : Ára dl dtctor fotométrico. Gralmt la distribució spctral dl ilumiat tipo A ( ()) y la rsposividad spctral rlativa dl dtctor fotométrico () s cutra ormalizadas a 555 m. 3. TEA DE EDCÓN DE REPONVDAD EPECTRAL El sistma d mdició d rsposividad spctral d dtctors dl CENA stá costituido por u comparador d dtctors, ua trmopila como patró d rsposividad plaa y fotodiodos d silicio como patros d rfrcia y d trabajo [1]. El comparador d dtctors costa d ua fut d luz sitoizabl (lámpara icadsct + moocromador dobl) y sistmas auxiliars para la formació dl haz, para l posicioamito d los dtctors y para la mdició d las sñals, figura 2. R 232 GPB DV Amplificador ultiplxor Figura 2: istma d mdició d rsposividad spctral d dtctors CENA. El lmto ctral dl comparador d dtctors s u moocromador dobl aditivo d rjilla cofiguració Czry-Turr, l cual cuta co trs pars d rjillas d difracció para cubrir u alcac spctral d 200 m a 2200 m co alcacs itrmdios d Como fut d luz s utiliza ua lámpara icadsct d 450 W. El sistma d formació dl haz costa d u spjo cofocal l cual forma ua imag dl filamto d la lámpara la rdija d trada dl moocromador y u sistma d spjos cofocals qu foca l haz d salida dl moocromador l plao dl dtctor slccioado para la mdició. El sistma d mdició d sñals mid la fotocorrit d salida d los fotodiodos l modo d corto circuito, dbido a las vtajas qu ti st modo para la radiomtría [2], para llo utiliza u amplificador d tras-impdacia Grasby Optroics co gaacia tr 10 3 VA y 10 6 VA y u multímtro digital (HP3457A d 7 ½ digitos). La slcció dl diodo a mdir s raliza mdiat u multiplxor automatizado (Agilt A). 3.1 étodo d mdició d rsposividad spctral La dtrmiació tato d la rsposividad spctral como d la rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico (DF) s raliza mdiat l método d sustitució [5]. La mdició d la rsposividad spctral s llva acabo mdiat la xposició simultáa l dtctor fotométrico (DF) y l dtctor patró (DP) a la misma ilumiació homogéa moocromática d 2

3 imposio d trología 25 al 27 d Octubr d 2006 logitud d oda para llo s coloca ua sfra d itgració co dos purtos a la salida dl moocromador co la cual s ilumia l ára activa d ambos dtctors [3], figura 3. U parámtro importat u dtctor fotométrico s l grado d igualdad tr su rsposividad spctral rlativa y la fució d la ficicia spctral lumiosa para la visió fotópica V() [7-8]. Est parámtro (F) s cuatifica mdiat: oocromador F V s, (4) DF Fut Estabilizada Esfra tgració DP Figura 3: dició d rsposividad spctral dl dtctor fotométrico co ilumiació homogéa mdiat l mplo d sfra d itgració a la salida dl moocromador. diat u dtctor auxiliar y l uso d u divisor d haz sé moitora la potcia óptica dl haz durat l procso d comparació, lo cual prmit corrgir rrors por drivas la potcia óptica [9]. La rsposividad spctral () dl dtctor fotométrico s obti mdiat: 4. TEA DE EDCÓN DE REPONVDAD ABOLUTA La figura 4, mustra u squma dl sistma d mdició d rsposividad absoluta d dtctors fotométricos implmtado CENA. El sistma sta formado básicamt por u ril d 2 m; ua sfra d itgració d 15 cm d diámtro rcubirta su itrior co spctralo co ua rflctacia dl 99,2 %; ua fut lásr d HN d 632,8 m co ua potcia aproximada d 15 mw y dos bafls qu limita la luz xtraviada, figura 4. Fut Lásr a 632, 8 m BAFLE APLFCADOR DP ( ), (2) EFERA DE NTEGRACÓN 1,40 m DF dod () s la fotocorrit grada por l dtctor fotométrico, () s la fotocorrit dl dtctor patró, l la sñal dl dtctor d moitoro al momto d mdir la sñal dl patró, s la sñal dl dtctor d moitoro al momto d mdir la sñal dl dtctor fotométrico y () s la rsposividad spctral dl patró. La rsposividad spctral rlativa dl dtctor fotométrico () s dfi como la rsposividad spctral dl dtctor fotométrico () a ua logitud d oda d rfrcia o 555 m [5]. ( 0 ). (3) Figura 4. istma d mdició d rsposividad absoluta d dtctors. La distacia máxima alcazada tr l purto d salida d la sfra d itgració y l ára d los dtctors s d 1,40 m. La sfra produc ua ilumiació uiform sobr l ára d los dtctors. La distacia tr l purto d salida d la sfra d itgració y l plao d los dtctors s d 1,40 m. A sta distacia la sfra produc ua ilumiació uiform sobr l ára d los dtctors [4]. 3

4 imposio d trología 25 al 27 d Octubr d 2006 La dtrmiació d la rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico s basa l método d sustitució [5], midido altradamt la irradiacia d la sfra d itgració sobr l dtctor patró (l cual s trazabl al radiómtro criogéico mdiat la calibració prvia ralizada cotra l dtctor d trampa A, Crtificado CN- CP ) y sobr l dtctor fotométrico. E sta gráfica s pud obsrvar ua dsviació d la rsposividad spctral rlativa mdida dl dtctor LT cotra la rsposividad spctral tórica V() sprada. Esta dsviació s mayor l itrvalo d 500 m a 525 m. El valor d F, l cual idica l grado d igualdad tr las curvas, dtrmiado para st dtctor s d 1,011. La rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico s dtrmia para ua logitud d oda d 632,8 m mdiat la cuació (6) Rspusta Espctral Rlativa (555 m) V() Dt. Fot. Esfra A A, (5) dod : Rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico a 632,8 m. : Fotocorrit dl dtctor fotométrico. A : Ára dl dtctor patró. : Rsposividad absoluta dl dtctor patró. A : Ára dl dtctor fotométrico. : Fotocorrit dl patró. Ua vz dtrmiadas la rsposividad spctral rlativa y la rsposividad absoluta dl dtctor fotométrico s obti su rsposividad lumiosa. ustituydo la cuació (5) (1) tmos qu la rsposividad lumiosa dl dtctor (Alux) s: A li lx A Km 5. REULTADO s V. (6) Para la ralizació d la cadla l laboratorio d fotomtría dl CENA s mpla u dtctor fotométrico d la marca LT stabilizado térmicamt a 35 C. La mdició obtida d la rsposividad spctral rlativa d dicho dtctor, mplado l sistma d mdició rportado st artículo, s mustra la grafica Logitud d Oda (m) Grafica 1. E la grafica s obsrva ua dsigualdad tr las curvas d la rsposividad spctral rlativa dl dtctor fotométrico y la fució V(). Esta dsigualdad s comú cotrarla los dtctors fotométricos y s dbida pricipalmt a la calidad propia dl dtctor fotométrico. i mbargo, xist otros factors qu ifluy sta dsviació qu provi dl sistma d mdició, pricipalmt dl sistma d ilumiació, como so la homogidad d la ilumiació sobr los dtctors, la potcia d la sñal óptica y acho d bada. El valor dl parámtro f 1 (qu califica la calidad dl dtctor) stimado s d f 1 2,6 % sto lo clasifica como u dtctor d alta calidad [3]. Para rducir l valor d F y aproximar las curvas, s csario mjorar la homogidad dl haz d salida dl moocromador icrmtar su potcia. La rsposividad absoluta obtida para l dtctor fotométrico s d 22,9 Alux co ua icrtidumbr d 0,9% co k2. E la tabla 1 s prsta l prsupusto d icrtidumbrs la calibració d dtctors fotométricos. 4

5 imposio d trología 25 al 27 d Octubr d 2006 Tabla 1. Prsupusto d icrtidumbr la calibració d dtctors fotométricos. Fut d icrtidumbr Patró d rsposividad absoluta (632,8 m). crtidumbr tipo A % crtidumbr tipo B % 0,1 Ára dl Patró.,07 Rptibilidad d la mdició. Rsposividad Espctral Rlativa (555 m). Rsolució dl istrumto d mdició. crtidumbr combiada k1. crtidumbr xpadida k2. 0,12 0,4 0,45 0,90 0,0007 La rsposividad spctral rlativa a 555 m icluy la cotribució d las siguits futs: rptibilidad, acho d bada, rror logitud d oda (m) tr otras. 6. CONCLUONE E l laboratorio d spctrorradiomtría d dtctors dl CENA s stá implmtado ua mtodología para la calibració d la rsposividad absoluta d dtctors fotométricos para l stablcimito d la cadla co trazabilidad al patró primario d flujo radiat (Radiómtro Criogéico). Actualmt s ha implmtado ya los sistmas d mdició d rsposividad spctral rlativa y rsposividad absoluta co trazabilidad al radiómtro criogéico y s ha obtido los primros rsultados d la calibració d dtctors fotométricos mplados d la ralizació d la cadla. difrcia tr la curva mdida y la V() y alcazar ua icrtidumbr d mdició 0,6 % k2. REFERENCA [1] W. A. chmid, J.C. olia Vázquz La scala d la rsposividad spctral d dtctors ópticos ralizada l CENA, O V, Cogrso d strum, g. Óptica (2003). [2] G. Eppdaur, Optical radiatio masurmt with slctd dtctors ad matchd lctroic circuits btw 200 m ad 20 µm, NT Tchical Not 1438, 1-9, (2001) [3] J. C. olia, J. C. Brmúdz, J. E. HrádzLópz. Rlativ pctral Rsposivity Dtrmiatio Of Photomtric Dtctors. Fifth ymposium Optics i dustry, Procdigs of PE Vol. 6046, (2006). [4] J. Campos, A. Corrós, A. Pos ad P. Corrdra. Ralizatio of th cadla from a partial filtrig V() dtctor tracabl to a cryogic radiomtr, trología, , [5] CE 1984 CE Publicatio No.64. [6] Th NT Dtctor-Basd Lumious tsity cal, C.L Cromr, G.Eppldaur, J.E. Hardis, T.C. Larso, Y. Oho, ad A. C. Parr, Joural of Rsarch of th Natioal stitut of tadards ad Tchology, Volum 101, Numbr 2, arch-april [7] CE 1987 CE Publicatio No.69 [8] CE 1990 CE Publicatio 86 [9]Thomas C. Laraso, ally. Bruc, ad Albrt C. Parr, pctroradiomtric Dtctor asurmts, NT pcial Publicatio , Fbruary Estos rsultados prlimiars so bastat acptabls, si mbargo s csario mjorar l sistma d ilumiació para rducir l valor d F. Los trabajos a futuro para l laboratorio d Espctro Radiomtría d Dtctors s foca básicamt mjorar la técica d mdició utilizada la dtrmiació d la rsposividad absoluta d dtctors fotométricos, obtr ua mayor homogidad y potcia dl haz d salida dl moocromador y ua rducció dl acho d bada spctral, co lo cual s spra dismiuir la 5