Устройство для измерения частотно-контрастной характеристики фотоприемников Советский патент 1985 года по МПК G01N21/01 

Изобретение относится к измерению электрических и магнитных величин оптическими методами, а именно к испытанию отдельных полупроводниковых приборов, в частности фотоприемНИКОВ, и может быть использовано для измерения эффективных размеров фоточувствительньк площадок многоэлементных фотоприемников и зазоров между ними, Известно устройство для измерения частотно-контрастной.характеристики (ЧКХ) и распределения чувствительнос ти по площади одноэлементных фотоприемников , содержащее оптическую систему, формирующую тестовое излучение на площади исследуемого фотоприемника, схему обработки.и измерен сигнала с.фотопрйемника и устройство отображения распределения чувствительности. Измерения с помощью этого устррйства производят следующим обра зом: по поверхности приемника вдоль координаты Х перемещают изображение светящейся узкой щели, электрический , сигнал с фо.топриемника обрабатываетс и записывается на двухкоординатном самописце. Форма кривой, вычерченная самописцем, зависит как от распределения чувствительности 6ц (х) вдоль площади фотоприемника, так и от расп ределения интенсивности света по ширине щелиЗы,{К) и является сверткой этих величин SsW-JW tbU-)Для нахождения истинного распределения чувствительности вдоль фотоприем ника измеряют (независимо) распределение Интенсивности по щели и выполняюТ математическую операцию, обратную свертке. Для этого вьпшсляют преобразование Фурье ), Оц(Х), делением первого на второе определяю Фурье-образ 5ц(Х) , который и является ЧКХ фотоприемника. Все перечисленные преобразования производят при помощи злектронно-вычислительных машин tj . Недостатками данного устройства являются малая точность измерений, малая оперативность процесса определения ЧКХ и большой объем вычислительных работ. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство измерения частотно-контрастной характеристики фотоприемников, содержащее интерферометр, соединенный с модулятором фазы интерференции и механизмом изменения и отсчета периода полос, широкополосный усилитель, параллельно подключенные к . его выходу каналы преобразования сигнала первую и вторую гармоники частоты модуляции, каждый из которых содержит последовательно .соединенные узкополосный фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детектор, а также сумматор, входы которого соединены с выходами каналов преобразователя сигналов. При измерении модуля ЧКХ одноэлемент 1ого фотоприемника при помощи известного устройства следует, изменяя период интерференционных полос при различных величинах периода, отсчитывать значения напряжения на измерителе и извлекать квадратньш корень. Полученная таким образом зависимость является модулем ЧКХ 21 . Недостатками известного устройства являются малая точность измерений модуля ЧКХ, малая оперативность измерений, невозможность измерить точную ЧКХ с учетом фазы. Цель изобретения - повьшение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее интерферометр , соединенный с модулятором фазы интерференции и механизмом изменения и отсчета периода полос, пгарокополосный усилитель, параллельно подключенные к его выходу каналы преобразования сигнала в первую и вторую гармоники частоты модуляции, каждьш из которых содержит последовательно соединенные узкополосньй фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детектор, а также сумматор, входы которого соединены с выходами каналов преобразования Сигналов, дополнительно введены последовательно подключенные к выходу сумматора устройство извлечения квадратного корня, перемножитель, устройство отображения частотно-контрастной характеристики и блок формирования напряжения развертки, соединенный с механизмом изменения и отсчета периода полос, а также формирователь второй гармоники и блок формирования сигнала о фазе, содержапщй два параллельных канала, каждый из которых включает последователыю соединенные фазовый детектор, компаратор и формирователь импульсов, подключенных через схему И к входу формирователя напряжения, выход которого соединен с перемножителем, при этом первые входы фазовых детекторов соединены каждый с выходами одного из узкополосных фильтров, второй вход одного фазового детектора соединен с модулятором фазы интерференции, а второй вход другого фазового детектора - с выходом формирователя второй гармоники, вход которого соединен с модулятором фазы интерференции. Введение новых элементов - устройства извлечения корня, перемножителя, устройства отображения ЧКХ, блока формирования напряжения развертки и схемы формирования сигнала о фазе - позволяет количественно и качественно повысить точность измерения ЧКХ. Количественно повышается точность измерения модуля ЧКХ, особенно при высоких пространственных частотах и вблизи нулей ЧКХ, посколь ку при этом исключается измерение ма лых сигналов, отсчет величин напряжений и периода интерференционных йолос, вычисление результатов., фиксация перехода ЧКХ через ноль В предлаг.аемом устройстве относительные изменения напряжения при изменении периода полос отрабатываются устройством отображения со значитель но большей точностью, особенно положение нулей, что определяет точность вычисления распределения чувствительности по площади фотоприемника. Введение дополнительной схемы формирования сигнала о фазе и перемножите ля сигналов обеспечивает качественно повышение точности - возможность измерения точной ЧКХ с учетом фазы. На фиг.1 представлена функциональ ная схема устройства для измерения ЧКХ; на фиг.2 - ЧКХ фотоприемника, измеренная при помощи предлагаемого устройства; на фиг.З - распределение чувствительности по площади фотоприемника . Устройство содержит источник излучения, установленный перед интерферометром 2, который соединен с модулятором 3 фазы интерференции и механизмом 4 изменения и отсчета периода полос, исследуемый фотоприемник 5, оптически сопряженньш с интер ферометром 2 и соединенный с широкополосным усилителем 6. К выходу широкополосного усилителя 6 подключены два параллельных канала, содержаоц1е каждый последовательно соединенные узкополосные фильтры 7 и 8 на первую и вторую гармоники соответственно, усилители 9 и 10, формирователи 11 и 12 квадрата амплитуды и детекторы 13 и 14. Детекторы 13 и 14 соединены с сумматором 15, его выход соединен с устройством 16 извлечения квадратного корня, которое соединено с перемножителем 17, выход последнего соединен с устройством 18 отображения ЧКХ, а другой вход подключен к блоку 19 формирования напряжения развертки, вход которого соединен . с механизмом 4. Кроме того, устройство для измерения ЧКХ фотоприемника содержит формирователь 20 второй, гармоники и блок формирования сигнала о фазе, который включает два параллельных канала с последовательно соединенными фазовыми детекторами 21 и 22 . первой и второй гармоник сигнала с фотоприемника соответственно, компараторами 23 и 24 и фор мирователями 25 и 26 импульсов, выходы которых через схему И 27 подключены к формирователю 28 напряжения, соединенному с вторым входом перемножителя 17. Первый вход фазового детектора 21 соединен с выходом модулятора 3, а второй вход - с фильтром 7 первой гармоники сигнала. Первый вход фазового детектора 22 соединен с выходом модулятора 3 через формирователь 20 второй гармоники, второй вход фазового детектора 22 подключен к фильтру 8 второй гармоники. Поскольку ЧКХ К {) одноэлементного фотоприемника есть преобразование Фурье распределения чувствительности 5(X) по площади фотоприемника (О -.27 / п Т Y ЧТГ dX,a модуль ЧКХ одуль преобразования Фурье или заисимость нормированной амплитуды лектрического сигнала фотоприеммика т пространственной частоты воздейтвующего на фотоприемник одночастотого (в пространственной области) изучения , в предлагаемом устройстве спользуется метод непосредственного змерения ЧКХ. На площади фотоприем lника формируется излучение с гармони ческим распределением интенсивности, изменяется пространственная частота излучения и регистрируется величина сигнала с фотоприемника. Для повыше«ия точности измерений вводится моцуляция положения пространственной картины излучения относительно площа ди фотоприемника, что дает возможность работать с переменными сигнала ми и получать напряжение, пропорциональное ЧКХ, т.е. меняющееся с изменением пространственной частоты излучения. Устройство работает следующим образом. При помощи источника 1 излучения и интерферометра 2 на площади исследуемого Фотоприемника 5 формируется тестовое излучение в виде интерферен ционных полос. Модулятором 3 осуществляется модуляхщл пространственной фазы интерференции, т.е. МОДУЛЯЦИЯ положения полос относительно пло щадал фотоприемникаi При этом на выходе фототфиемника 5 возникает элект рический сигнал с широким спектром, содержащим все гармоники частоты модуляции 52 Усшщтелем 6 этот сигнал усиливается. Блоками 7-16, образуюощми двухканальный фop мpoвaтeль модуля .осзгществляется преобразование электрического сигнала с фотоприемника в электрический сигнал пропорцнональный модулю ЧКХ фотоприемника, защищенный от влияния вибрации и нерегулярных колебаний его величины при перестройке периода интерференционных полос в процессе измерений. Одновременно при помощи блоков 20-28, представлянвдих собой Схему формирования .напряжения, пропорционального фазе ЧЮС, формируется (Постоянное напряжение полярностью, свответствующей фазе ЧКХ. На перемножителе 17 формируется напряжение, пропорциональное точной ЧКХ с учетом фазы, меняющееся с изме нением периода интерференционных полос. Сформированное напряжение, пропорциональное ЧКХ, регистрируется на устройстве 18 отображения, в качестве которого может быть использован двухкоординатный самописец. Напр жение развертки устройства отображения форниру ется блоком 19 при помощи потенциометра (не показан), жестко связанного с осью механизма Л изме- 2 нения и отсчета периода полос и задаюп{его напряжение, обратно пропорциональное периоду полос. При модуляции модулятором 3 с частотой SJ пространственной фазы интерференции на выходе фотоприемника 5 возникает электрический сигнал и(i) с широким спектром, содержапщм все гармоники частоты модуляции S5 .При малом индексе модуляции уц разложение Bi спектр напряжения электрического сигнала принимает вид yW o C 9 4o- Sl-t4 - cosi gCosent + .-.kli), постоянная составляющая; индекс модуляции; Срд - фазовый угол интерференции, определяющий начальное положение интерференционных полос на площади фотоприемНика, относительно которого производится модуляция; Т - период интерференционных полос ; . Т1 частотно-контрастная характеристика фотоприемника. При ороизвольном индексе модуляции m напряжение электрического сигнала также раскладьшается в спектр гармоник частоты модуляции с более сложной зависимостью амплитуд от гп . Амшштуды гармоник пропорциональны 1с (4) и зависят от nj и рт начальной фазы cf, интерференционных полос относительно фотоприемника через функции sin Cf(, и costfj. Начальная фаза {/ изменяется/при изменении величины периода полос в процессе измерений, а также в результате вибрационных колебаний элементов оптической схемы. Это приводит к нерегулярным колебаниям амплитуд гармоник, что практически исключа1вт возможность измерения ЧКХ. Чтобы получить напряжение, пропорциональное X (|), а также исключить влияние вибрационных колебаний и других Яомех промышленного и теплового яроисхоящения, вводится обработка электрического сигнала с фотоприемника 5. При помощи фильтров 7 и 8 Я31й1рдкополрсного сигнала .U(i) выделяются первая и вторая гармонию, Усилителями 9 и 10 с коэффициентами усиления X, и Kg выраниваются их максимальные амплитуды k, квадраторами 11 и 12 формируются квадраты функций, детекторами 13 и 14 образуются напряжения, пропорциональные квадратам амплитуд гармоник, сумматором 15 они складываются. При этом, поскольку суммируются )1апряжения, пропорциональные sin-Cf их сумма не зависит от „ , . ( .-АЧН4У-пЧ-обЧЬА (4 , I Ak,m k2На выходе сумматора 15 получается напряжение, равное сумме квадратов амплитуд гармоник, не зависящее от q и пропорциональное )c(-:f.) . На выходе устройства извлечения квадратного корня 16 получается напряжение, пропорционапьное модулю частотно-контрастной характеристики | k -) 1 которое регистрируется устройством 18 отображения. Точная ЧКХ К (-) получается в результате -перемножения перемножителем 17 медленно меняющегося напряжения, пропорционального IkC) , и постоянного напряжения, полярность которого совпадает со знаком фазы t(f), создаваемого формирователем 28 напряжения. Схема 20-27, управляющая полярностью напряжения формирователя 28 напряжения, изменяет знак напряжеНИН + и на -U или - и на + U при одновременном изменении фазы колебаний обеих гармоник, обусловленном изме;неяием знака V(f). но сохраняет знак напряжения при поочередном изменении фазы колебаний гармоник, вызванном изменением Cfjj. На выходе фазовых де текторов 21 и 22 образуется положительное или отрицательное напряжение в зависимости от того, совпадают ли фазы первой и второй гармоник сигнала с фотоприемника 5 с фазами опорны напряжений модулятора 3. Компараторы 23 и 24 формируют импульсы соответствующей полярности при изменении фазы гармоник в момент перехода через нуль амплитуд гармоник. Формирователи 25 и 26 импульсов формируют импульсы управления логической схемой И 27, которая переключает полярность источника 28 напряжения в момент изменения фазы обеих гармоник, так как фазы колебаний первой и второй гармоник при изменении ( меняются поочередно, а при изменении знака К() - одновременно, то и логическая схема И 27 изменяет полярность напряжения источника 28 только при изменении знака К(). Измерение ЧКХ сводится к следующему. При помощи механизма 4 изменяют период интерференционных полос, создаваемых интерферометром 2 на площади фотоприемнрп а 5, от больших (м мм) до самых малых (. мкм) . При этом в каждый момент, соответствующий .определенному периоду полос, на перемножителе 17 формируется напряжение, пропорциональное ЧКХ К (),. Кривая ЧКХ регистрируется на устройстве 18 отображения.. Проведенная на макете предлагаемого устройства опытная проверка (измерение ЧКХ одной площади 60x60 мкм фоторезистора на основе CdHgTe) подтверждает возможность измерения ЧКХ с необходимой для вычисления преобразования Фурье точностью. В качестве тестового излучения использовано Излучение газового лазера с длиной волны 10,6 мкм. Интерференционные полосы формируют интерферометром Майкельсона. Представленная на фиг.2 ЧКХ указанного фоторезистора измерена при помощи макета предлагаемого устройства. В предлагаемом устройстве ЧКХ измеряется непосредственно. Точность измерения определяется степенью постоянства контраста интерференционных полос при различных периодах и точностью соответствия напряжения развертки отображающего устройства величине периода интерференционных полос. Величины всех перечисленных погрешностей измерения определяются техническим исполнением соответствующих устройств и составляют 5-10%. Время на измерение ЧКХ одноэлементН0ГО фотоприемника, затрачиваемое одним оператором, составляет 5-10 мин. Таким образом, предлагаемое устройство обладает большей точностью и оперативностью процесса измерений, кроме того, дает возможность определить с высокой точностью распределение чувствительности по площади фотоприемника, а также разме13ы площадок и зазоров между ними в линейке или матрице фотоцриемника с точностью ft/2. Для этого следует при измерениях суммировать сигналы с двух площадок, т.е. измерять ЧКХ с j распределением чувствительности, показанным на фиг.З, и вычислить обратное преобразование Фурье от измеренной ЧКХ, Других способов измерений распределения чувствительности П4 210 у фотоприемников с размерами площадок , сравнимыми с дифракдаонным пределом оптических систем в инфракрасном диапазоне ( 40 мкм для J 1 10,6 мкм), а также размеров чувствительных площадок и зазоров меж,цу ними с такой точностью нет.

О.В

0.6

а4г

OJ О

В(л)

л