Способ измерения абсолютной спектральной чувствительности ИК МФПУ Российский патент 2019 года по МПК G01J3/00 

Спектральная чувствительность инфракрасной системы, одна из важнейших характеристик фотоприемников. Она определяется характеристиками всех ее компонентов, оптических и оптико-электронных, а именно: спектральным пропусканием, поглощением, отражением и излучением используемых материалов, спектральным пропусканием фильтров, которые могут быть применены, и спектральной чувствительностью самого приемника излучения.

Измерение спектров абсолютной чувствительности фотоприемников до сих пор, фактически, основано на двух методах. Первый - на измерении их сигналов при последовательном воздействии узкоспектрального излучения, создаваемого оптическим монохроматором, нормировке сигналов с помощью измерения того же спектра калиброванным фотоприемником, последующем пересчете и построении, например, графика зависимости абсолютной чувствительности S(λ) от длины волны облучения [1]. Второй - на регистрации интерферограммы оптического сигнала, создаваемого интерферометром Майкельсона, с последующей математической обработкой ее методом быстрого преобразования Фурье, получением спектра относительной фоточувствительности [2], который затем необходимо также калибровать с использованием образцового фотоприемника и затем пересчитать в абсолютный спектр фоточувствительности.

Первым недостатком указанных методов является их стоимость, т.к. для их реализации необходимы дорогие ИК спектрофотометры или Фурье-спектрометры. Другим их недостатком является невозможность прямого измерения абсолютной спектральной кривой вольтовой или токовой чувствительности. Третьим недостатком - невозможность измерения даже относительной спектральной кривой фоточувствительности на всех фоточувствительных элементах (ФЧЭ) матрицы ИК МФПУ.

По этим причинам интересен способ измерения спектральной чувствительности ИК устройств без применения дорогих спектрофотометров, а лишь с использованием Модели Черного Тела (МЧТ) и соответствующего программного обеспечения в компьютере, подключенном к блоку управления МЧТ, контролирующему работу ИК МФПУ [3].

Известен способ измерения абсолютной спектральной чувствительности, включающий установку протяженного МЧТ радиусом 2⋅R на расстоянии не более от МФЧЭ с размером по диагонали равным 2⋅d, окруженной холодным экраном с диафрагмой радиуса 2⋅r, отстоящей от плоскости МФЧЭ на расстоянии включение МЧТ в рабочий режим, установку первой температуры МЧТ, регистрацию первого сигнала каждого ФЧЭ ИК МФПУ, последовательное пошаговое повышение температуры на заданную величину и измерение соответствующего ей сигнала, составление для каждого ФЧЭ системы N линейных уравнений, в правой части которых стоят измеренные сигналы ИК МФПУ, а в левой части - ряды, представляющие собой разложение интегралов, выражающих выходной сигнал ФЧЭ, в ряд Тейлора с N линейными компонентами абсолютной спектральной чувствительности при соответствующих длинах волн с необходимыми коэффициентами, получение численного решения данной системы уравнений для каждого ФЧЭ с определением значений компонент относительной чувствительности.

Недостатком указанного способа является наличие стационарного облучения от МЧТ большой площади, сигнал которого при последующем расчете необходимо выделять из суммы нескольких также стационарных сигналов, включающей сигналы, обусловленные излучением от входного окна МФПУ, темновым током ФЧЭ и мультиплексором при нулевом входном сигнале, что ухудшает корректность способа. Вторым недостатком является недостаточная точность способа, обусловленная ограничением в максимальном расстоянии от МЧТ до МФЧЭ, связанным с необходимостью перекрытия излучающей площадкой МЧТ апертуры МФЧЭ. Отсюда возникает ограничение максимальной температуры и количества задаваемых значений температуры МЧТ, при которых проводится измерение интегральных сигналов МФПУ.

Целью настоящего изобретения является повышение корректности и точности измерения спектров абсолютной чувствительности ФЧЭ ИК МФПУ, в виде зависимости токовой, вольтовой чувствительности или квантовой эффективности ФЧЭ от длины волны, за счет устранения влияния паразитных сигналов на измеряемый параметр МФЧЭ и ограничения на расстояние от МЧТ до МФЧЭ и максимальную температуру МЧТ.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ измерения абсолютной спектральной чувствительности ИК МФПУ, включающий последовательную установку N стационарных значений температур МЧТ, регистрацию интегрального сигнала всех ФЧЭ при каждом стационарном значении температуры МЧТ, автоматизированное составление для каждого ФЧЭ трех систем из N интегральных уравнений, соответствующих стационарным значениям температуры МЧТ, решение каждой системы N интегральных уравнений относительно N значений спектральных характеристик ФЧЭ по длинам волн, построение абсолютных спектральных характеристик ФЧЭ по рассчитанным компонентам, отличающийся тем, что устанавливают характерный размер излучающей площадки МЧТ меньшим размера МФЧЭ, излучение МЧТ модулируют с постоянной частотой, сигнал каждого ФЧЭ автоматически измеряют при стационарной температуре МЧТ К раз, рассчитывают среднее значение сигнала каждого ФЧЭ по К измеренным сигналам, рассчитывают среднеквадратичное отклонение сигналов каждого ФЧЭ от среднего значения и подставляют полученное значение среднеквадратичного отклонения в левую часть интегрального уравнения, соответствующего заданной температуре.

Поставленная цель достигается также тем, что стационарный температурный режим МЧТ продолжается в течение времени не менее t_стац = K⋅τ_кадра, где τ_кадра - время кадра МФПУ.

Поставленная цель достигается также тем, что сигнал каждого ФЧЭ автоматически измеряют при стационарной температуре МЧТ не менее К=256 раз.

Для подтверждения достижения цели рассмотрим работу ИК МФПУ. Регистрация интегральных сигналов всех ФЧЭ ИК МФПУ в автоматическом режиме осуществляется при фиксированной температуре МЧТ и времени накопления сигнала.

Интегральный сигнал каждого ФЧЭ можно представить в виде суммы пяти основных сигналов.

где V_мчт - модулированный световой сигнал от МЧТ [1];

V_фон - немодулированный световой сигнал, генерированный излучением окружающего фона [4];

V_во - немодулированный сигнал, генерированный излучением входного окна МФПУ [4];

V_темн - немодулированный сигнал, генерированный темновым током ФЧЭ [4];

V₀ - немодулированный сигнал мультиплексора МФПУ при нулевой облученности [4].

Небольшая излучающая площадка МЧТ находится в поле зрения каждого ФЧЭ МФПУ. При таких габаритах площадки, излучение МЧТ просто модулировать обычным модулятором.

Если при каждом фиксированном уровне облученности зарегистрировать интегральный сигнал ФЧЭ К раз, вычислить его среднее значение и среднеквадратичное отклонение от среднего сигнала, то мы автоматически получим величину модулированного светового сигнала V_мчт. При этом ошибка в определении величины сигнала, пропорциональная величине 1/√К, будет тем меньше, чем большее количество измерений каждого интегрального сигнала будет выполнено, или чем больше будет величина К. Время, затраченное на такое количество измерений в автоматическом режиме, примерно, будет равно К⋅t_кадра. Установлено, что для получения точности измерения сигнала в несколько процентов необходимо выполнить не менее К=256 измерений сигнала при каждой фиксированной температуре МЧТ.

В прототипе данное выделение полезного сигнала МФПУ затруднительно, потому, что там измеряется стационарный интегральный сигнал, обусловленный темновым током ФЧЭ, излучением МЧТ, излучением входного окна, светофильтра, холодного экрана и постоянный выходной сигнал мультиплексора МФПУ при нулевой облученности. По этой причине истинный сигнал будет завышен, и расчеты могут привести к ошибке измерения равной, примерно, (50-80) %.

Если провести измерение выходных сигналов ИК МФПУ при N температурах МЧТ, то мы получим N значений выходного модулированного сигнала каждого ФЧЭ МФПУ. Время затраченное на эти измерения будет составлять t_изм ≈ N⋅K⋅t_кадра + N⋅t_стац. При N=50, K=256, t_кадра ≤ 5 мс и t_стац = 5 сек величина t_изм не будет превышать шести минут (6 минут). Измеренный массив данных будет соответствовать пятидесяти точкам на спектральной кривой для каждого ФЧЭ. Таким образом, за указанное время в автоматическом режиме будут зарегистрированы три вида спектров фоточувствительности всех ФЧЭ МФПУ.

Такой метод измерения сигнала МФПУ будет корректным, т.к. будет измеряться только модулированный световой сигнал, и будет более точным, т.к. в расчетах будет фигурировать только полезный сигнал, обусловленный МЧТ.

В расчете ПЭВМ будет использоваться только истинное значение облученности от МЧТ, а не его сумма с несколькими дополнительными облученностями от которых в любом случае необходимо было бы избавляться, что внесло бы заметную ошибку в значения спектральных составляющих квантовой эффективности, токовой или вольтовой чувствительности всех ФЧЭ МФПУ. Эти спектральные компоненты ранее были вообще недоступны при измерениях МФПУ на стандартных спектрофотометрах и Фурье спектрометрах. На этих приборах можно было измерять лишь относительную спектральную чувствительность одиночных тестовых ФЧЭ, а затем калибровать их по аттестованному фотоприемнику для получения абсолютного значения спектральной характеристики. Заявляемый способ позволяет сразу получить абсолютную спектральную чувствительность (токовую S_I(λ), вольтовую S_u(λ) или квантовую эффективность η(λ)) всех ФЧЭ МФПУ.

При измерении модулированного светового сигнала, в соответствии с [1], в расчетах необходимо учитывать действующее значение светового потока Ф_э, которое выражается формулой

где Ф₀ - значение немодулированного светового потока от МЧТ, Вт⋅см^-2 или фотон⋅см^-2⋅с^-1;

β - коэффициент формы модуляции [1].

Модулированный световой поток, падающий от МЧТ на ФЧЭ, будет описываться следующим выражением:

где - коэффициент пропускания диафрагмы МЧТ [5] (коэффициент излучения МЧТ [6]);

К_во(λ) - коэффициент пропускания входного окна МФПУ;

К_сф(λ) - коэффициент пропускания холодного светофильтра в спектральном интервале [λ₁,λ₂];

ε - степень черноты МЧТ;

- функции Планка, p - Вт⋅см^-2⋅мкм^-1; n - квант⋅см^-2⋅с^-1⋅мкм^-1 [7];

х, у - координаты в плоскости МФЧЭ, см;

- расстояние от МЧТ до МФЧЭ, см.

Модулированный выходной сигнал V_св каждого ФЧЭ ИК МФПУ будет описываться следующими интегральными уравнениями, в которых участвуют S_I(λ), S_u(λ) и η(λ), которые будут автоматически записаны в памяти управляющего компьютера:

где τ - время накопления МФПУ, с;

A_S - площадь ФЧЭ, см²;

q - заряд электрона, К⋅электрон^-1;

С_н - величина емкости накопления в ячейке МФПУ, Ф;

К₀ - коэффициент передачи схемы мультиплексора;

S_I(λ) - токовая чувствительность ФЧЭ, А⋅Вт^-1;

S_u(λ) - вольтовая чувствительность ФЧЭ, В⋅Вт^-1;

η(λ) - квантовая эффективность ФЧЭ, электрон⋅квант^-1.

В выражениях присутствует коэффициент пропускания диафрагмы МЧТ [5] (коэффициент излучения МЧТ [6]) Заметим, что в выражениях (3), (4), (5) и (6) все параметры, стоящие перед знаком интеграла известны и не зависят от Т_МЧТ и λ. Обозначим их буквой W. В каждой подинтегральной функции содержатся три известных параметра К_во(λ), К_сф(λ) и значения которых нам известны при любой длине волны облучения, и лишь один неизвестный линейный параметр S_I(λ), S_u(λ) или η(λ). Тогда, если решить систему интегральных уравнений относительно N неизвестных, каждое из которых будет соответствовать значению S_I(λ_i), S_u(λ_i) или η(λ_i), то получим спектральную зависимость токовой, вольтовой чувствительности или квантовой эффективности для каждого ФЧЭ.

Существует достаточно много методов решения таких систем. Например, преобразование в систему линейных уравнений, поэтому мы не будем останавливаться на них. Решение полученных систем уравнений даст нам численные значения спектральных компонент S_I(λ_i), S_u(λ_i) или η(λ_i), которые позволят построить необходимые спектральные характеристики зависимостей токовой и вольтовой чувствительностей, а также квантовой эффективности любого ФЧЭ матрицы от длины волны облучения. Метод также позволить провести построение 2D зависимости красной границы чувствительности или максимума чувствительности по плоскости МФЧЭ.

Функционирует способ следующим образом: Рассмотрим ИК МФПУ, установленный на стенде измерения сигналов. Стенд должен включать следующие блоки:

- МЧТ с излучающей площадкой, характерный размер которой меньше размера МФЧЭ, с источником регулировки температуры;

- стандартный модулятор светового потока МЧТ;

- держатель образца ИК МФПУ, соосный с МЧТ;

- блок сопряжения (БС) с источниками постоянного питания, осуществляющий выработку и подачу на МФПУ постоянных напряжений питания, тактовых импульсных напряжений питания и импульсных напряжений управления, а также прием, первичную обработку, формирование его выходных сигналов и передача их в последующий блок стенда;

- блок аналого-цифровой обработки сигналов (БАЦО);

- ПЭВМ, осуществляющая цифровую обработку сигналов МФПУ, контролирующая температуру МЧТ и выполняющая управление работой МЧТ и МФПУ.

Устанавливаем МФПУ в держатель, подключаем его к БС. Включаем все приборы стенда в рабочий режим. Запускаем программу измерения спектра чувствительности МФПУ. Вводим в программу номер образца, конструктивные и эксплуатационные параметры МФПУ [4], в том числе и экспериментально измеренные зависимости К_во(λ) и К_сф(λ), первую заданную температуру МЧТ, интервал и шаг ее изменения или количество измеряемых точек спектральной кривой. Включаем программу измерения. Установка, под управлением компьютерной программы, проводит изменение температуры МЧТ на заданный шаг, контролирует степень стационарности температуры по производной от сигнала датчика температуры МЧТ, и проводит измерение сигналов всех ФЧЭ МФПУ при стационарной температуре. По окончании измерений включаем расчет спектральных характеристик МФПУ, вводим номера ФЧЭ и тип спектральных характеристик, которые необходимо показать. Компьютер рассчитывает, запоминает, показывает на экране дисплея и распечатывает, если необходимо, спектральные зависимости отдельных ФЧЭ, или 2D массивы красных границ или максимумов чувствительности всех ФЧЭ.

Литература

1 ГОСТ 17772-88, Приемники излучения. Полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик, М., Госкомитет СССР по стандартам, Изд. стандартов, 1988, С. 34, Приложение 4.

2 Белл Р. Дж., Введение в Фурье-спектроскопию, М. Мир, 1975, 382 С.

3 A.I. Patrashin, G.A. Ivanov, Testing Unit for Measuring Photoelectric Characteristics of IR Arrays, Proceedings of SPIE, 1998, V. 3379, p. 555-560.

4 А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, и др., Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014, С. 38.

5 А.И. Патрашин, А.В. Никонов, B.C. Ковшов, Обобщенный метод расчета облученности от абсолютно черного тела, Успехи прикладной физики, т. 6, №2, 2018, С. 157.

6 А.И. Патрашин, К.В. Козлов, B.C. Ковшов, А.В. Никонов, В.А. Стрельцов, Метод установки заданной облученности от МЧТ, Успехи прикладной физики, т. 6, №4, 2018, С. 349.

7 Rogalski, Infrared Detectors, CRC Press, 2011, P. 10.

Изобретение относится к способам измерения абсолютной спектральной чувствительности многоэлементных или матричных ИК фотоприемников (ИК МФПУ). Способ позволяет за одно измерение определить абсолютную спектральную чувствительность всех фоточувствительных элементов (ФЧЭ) ИК МФПУ. Указанный технический результат достигается тем, что выполняются N измерений интегральных сигналов ФЧЭ ИК МФПУ при разных стационарных температурах модели черного тела (МЧТ). МЧТ имеет малый размер излучающей площадки, его излучение модулируется и проводится по К измерений интегрального сигнала при каждой стационарной температуре МЧТ. Таким образом, для каждого ФЧЭ набирается массив данных, включающий K⋅N измерений. Затем для каждой фиксированной температуры МЧТ автоматически выполняется расчет среднеквадратичного отклонения от средней величины сигнала ФЧЭ, которое будет равно величине светового модулированного сигнала от излучения МЧТ. Полученное значение сигнала автоматически подставляется в левую часть интегральных уравнений, включающих свертку функции Планка и соответствующей фотоэлектрической характеристики: токовой S_I(λ), вольтовой S_u(λ) чувствительности или квантовой эффективности η(λ). Преобразуя интегральные уравнения, получают для каждого ФЧЭ три системы линейных уравнений, в которых неизвестными будут являться спектральные компоненты вышеуказанных характеристик. Решая системы, получают искомые зависимости S_I(λ), S_u(λ) и η(λ). 2 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения абсолютной спектральной чувствительности ИК МФПУ, включающий последовательную установку N стационарных значений температур модели черного тела (МЧТ), регистрацию интегрального сигнала всех фоточувствительных элементов (ФЧЭ) при каждом стационарном значении температуры МЧТ, автоматизированное составление для каждого ФЧЭ трех систем из N интегральных уравнений, соответствующих стационарным значениям температуры МЧТ, решение каждой системы N интетральных уравнений относительно N значений спектральных характеристик ФЧЭ по длинам волн, построение абсолютных спектральных характеристик ФЧЭ по рассчитанным компонентам, отличающийся тем, что устанавливают характерный размер излучающей площадки МЧТ меньшим размера МФЧЭ, излучение МЧТ модулируют с постоянной частотой, сигнал каждого ФЧЭ автоматически измеряют при стационарной температуре МЧТ К раз, рассчитывают среднее значение сигнала каждого ФЧЭ по К измеренным сигналам, рассчитывают среднеквадратичное отклонение сигналов каждого ФЧЭ от среднего значения и подставляют полученное значение среднеквадратичного отклонения в левую часть интегрального уравнения, соответствующего заданной температуре.

2. Способ измерения абсолютной спектральной чувствительности ИК МФПУ по п. 1, отличающийся тем, что стационарный температурный режим МЧТ продолжается в течение времени не менее t_стац=K⋅τ_кадра, где τ_кадра - время кадра МФПУ.

3. Способ измерения абсолютной спектральной чувствительности ИК МФПУ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сигнал каждого ФЧЭ автоматически измеряют при стационарной температуре МЧТ не менее К=256 раз.