Способ определения спектральной чувствительности фотоприемника Советский патент 1992 года по МПК G01N21/17 

(Л

с

Изобретение относится к фотометрии. Изобретение позволяет обеспечить возможность измерения спектральной чувствительности фотоприемников, в том числе нелинейных и фотоприемников на прозрачных и рассеивающих подложках. Для этого освещают эталонный и исследуемый фотоприемники излучением источника, прошедшим через перестраиваемый монохроматор. По отклику эталонного фотоприемника на каждой длине волны корректируют величину светового потока, изменяя ток, питающий источник, и поддерживая ширину щели постоянной, ограниченной определенным соотношением. Измеряют электрический отклик исследуемого фотоприемника для каждой длины волны. 1 ил .

Изобретение относится к фотометрии, в частности к измерениям спектральной чувствительности фотоприемников, в том числе нелинейных и фотоприемников на прозрачных и рассеивающих подложках.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ измерения спектральной чувствительности фотоприемников, в котором осуществляют последовательное измерение напряжения на выходе образца на разных длинах волн при определенной для данного диапазона мощности излучения, падающего на фотоприемник. Для линейного фотоприемника

S (А)U(A

где А -длина волны;

S (А) - спектральная чувствительность на длине волны;

U Ш - сигнал на выходе образца;

Р (А) - мощность монохроматического излучения.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений при снятии характеристики нелинейного фотоприемника, у которого спектральная чувствительность определяется как

XI СО

о ел о

00

S(A)Ц(Я) РП(А)

где Рп (А) - меняется для каждой длины волны по нелинейному закону.

Небольшое изменение мощности на выходе монохроматора даст большую погрешность измерений, и вид искомой характеристики спектральной чувствительности исказится.

Для снятия характеристики спектральной чувствительности нелинейных фотоприемников, в том числе фотоприемников на рассеивающих и прозрачных подложках, необходимо выполнение двух условий.

Во-первых, нужно обеспечить поддержание на заданному уровне светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник при каждом изменении длины волны. В противном случае будет изме- ряться не спектральная чувствительность фотоприемника S (А) .а произведение спектральной чувствительности на спектральную. функциюмощности монохроматического излучения в плоскости фотоприемника.

Во-вторых, необходимо обеспечить постоянные размеры выходной щели монохроматора. Изменение размеров выходной щели монохроматора приводит к погрешно- стям, вызванным несколькими причинами. При размерах фотоприемников, больших проекций выходной щели монохроматора, выходной сигнал, снимаемый с исследуемого фотоприемника, зависит от расположе- ния проекции на плоскости фотоприемника из-за неоднородности фотоприемника. Если фотоприемник выполнен в микроэлектронном исполнении и размер проекции щели фотоприемника больше размеров геометрической фоточувствительной области, то в измеряемом сигнале сказывается влияние характера подложки, на которой выполнен фотоприемник. Для фотоприемников на рассеивающих подложках увеличивается эффективная фоточувствительная область по сравнению с геометрической из-за рассеяния света вдоль поверхности подложки. Для фотоприемников на прозрачных под- ложках аналогичное увеличение эффективной фоточувствительной площади вызвано переотражением света в подложке. Линейные размеры фоточувствительных плоша- док исследуемых фотоприемников 20-104 мкм.

Обычно щель монохроматора проектируется на фотоприемник с уменьшением ее линейных размеров в два раза, тогда при ширине А щели (100-1500)мкм разме- ры проекции (пятна) составят Ai 50-750 мкм.

Для снятия, например , полной спектральной характеристики при отношении интенсивности излучения источника в максимуме и на крыльях спектральной характеристики с учетом того, что в мо- нохроматоре синхронно изменяются обе щели, потребуется для поддержания потока (Ф) постоянной мощности на выходе монохроматора изменять ширину щели в 100 раз ( щели), при этом размеры проекции (пятна) изменяются от 5 до 500 мкм. При измерении спектральной чувствительности напряжение, снимаемое с фотоприемника, пропорционально изменению сопротивления фотоприемника:

R.

При этом изменение сопротивления фотоприемника будет характеризоваться следующей зависимостью:

AR(pA)2-i-ft(|f)2Ax2+ /A)2AA2 ,

где р - удельное сопротивление фотоприемника;

- расстояние между контактами;

S - площадь фоточувствительного слоя;

b - ширина фотоприемника;

d - толщина фоточувствительного слоя;

R - изменение сопротивления фотоприемника.

При этом

(1т) составляющая, характеризующая спектральную чувствительность фотоприемника, т.е. полезная составляющая сигнала;

-2-()2 - составляющая, обусловО

ленная изменением размеров проекции выходной щели (пятна) монохроматора на фотоприемник, т.е. шумовая составляющая сигнала, вносящая погрешность в измерения;

-Ц(дФ-)2АФ2 - составляющая, обусловО

ленная нестабильностью светового потока, падающего на фотопрйемник, т.е. шумовая составляющая сигнала;

( )2Ах2 составляющая, обусловО

ленная неоднородностью фотоприемника в приконтактных областях, т.е. шумовая составляющая сигнала.

Целью изобретения является повышение точности измерения спектральной чувствительности фотоприемников, в том числе нелинейных, и фотоприемников на прозрачных и рассеивающих подложках.

В спектрофотометре световой поток, падающий на исследуемый фотоприемник, характеризуется следующей зависимостью:

Ф0( A) Kd2m (A,T). е( ЯДИ (А),

где Фсг- световой поток;

К- постоянная;

f (А )- аппаратная функция монохро- матора;

d - ширина щели монохроматора;

m (Я , Т) - функция Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела;

Ј( Я;Т) - коэффициент черноты источника излучения.

При постоянных размерах щели монохроматора в предлагаемом спектрофотометре обеспечить заданный постоянный уровень светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник, можно за счет управления температурой тела накала источника излучения таким образом, чтобы

т( А . Т (Я )) Ј(А,Т(А))- f(A) const.

Одним из необходимых условий повышения точности измерения является поддержание постоянной ширины выходной щели монохроматора на протяжении всего цикла измерений (т.е. снятия всей характеристики одного фотоприемника). При этом на размер щели монохроматора накладывается ряд ограничений. Максимальный размер щели ограничивается линейной областью вольт-ваттной характеристики эталонного фотоприемника и предельным значением светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник. Требование линейности вольт-ваттной характеристики эталонного фотоприемника обусловлено необходимостью обеспечения работоспособности блока управления температурой тела накала источника излучения, для которого сигнал с выхода эталонного фотоприемника является управляющим сигналом.

При отклонении от линейности, т.е. уменьшении крутизны характеристики, падает чувствительность эталонного тракта, что приводит к искажению снимаемой характеристики (растягиванию, сглаживанию), а в области насыщения - к невозможности изменения температуры тела накала источника излучения, и снижает точность измерений.

Предельное значение светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник, можно охарактеризовать следующей зависимостью:

1/2

Фпред 103 Ф { ДГэфф- А)

где Фпред - предельное значение светового потока, падающего на фотоприемник, при отсутствии специальных требований к фотоприемнику;

Фп - удельный пороговый поток; Лгэфф - эффективная шумовая полоса пропускания измерительного тракта;

А- геометрическая фоточувствительная площадь фотоприемника.

Поскольку в предлагаемом спектрофотометре содержится монохроматор с синх- ронно изменяющимися щелями и щели равномерно заполнены излучением, то

Ф - Фо (Ј)2,

0)

20

где do - максимальная ширина щели монохроматора;

d - ширина щели монохроматора, тогда максимальный размер щели монохро- матора составляет

с

dMaKc эфф.А)

30

Оба указанных ограничения должны удовлетворяться одновременно, следовательно

(j МИНц

г

ХФ;

1/2Н/2

jdo эфф-А}1

Минимальный размер щели монохрома- тора ограничивается исследуемой спектральной областью и чувствительностью измерительного канала, т.е. минимальный размер щели должен быть таким (di), чтобы охватывалась вся исследуемая область, за- даваемая типом исследуемого фотоприемника.

Чувствительность измерительного канала можно охарактеризовать следующими зависимостями:

Ф

или

Фк

Si

2UT

если измеряется ток,

если измеряется напряжение.

Учитывая зависимость (1), ограничения на минимальный размер щели будут:

Таким образом, повышение точности измерения спектральной чувствительности фотоприемников, в том числе нелинейных и фотоприемников на прозрачных и рассеивающих подложках достигается при постоянном на всем цикле измерений размера выходной щели монохроматора, выбранном из следующего интервала:

:J «ин

J х ИЩт

(lf ) J

Способ определения спектральной чувствительности фотоприемника реализуется при работе следующего устройства.

Устройство для реализации способа содержит источник излучения 1, в качестве которого используется галогеновая лампа типа КГМ-12-100 мощностью 100 ВА с блоком 2 питания в виде генератора стабильного тока и установленные по ходу луча сферическое зеркало 3, высокочастотный (380 Гц) модулятор 4, сферическое зеркало 5, низкочастотный (8-25 Гц) модулятор 6, перестраиваемый монохроматор 7 типа S РМ-2, сферическое зеркало 8, светоотдели- тель 9 в виде полупрозрачной тонкой пластины, исследуемый фотоприемник 10 типа фоторезистора на основе соединения CdxPbi-xS на держателе с блоком питания 11, эталонный фотоприемник 12, в качестве которого используется термоэлемент VTh - 1 Cad Zeiss, lena, при этом исследуемый фотоприемник 10 последовательно соединен с усилителем 13 сигнала исследуемого фотоприемника в виде селективного вольтметра V 2-8 и блоком 14 регистрации в виде двухкоординатного самописца Endim 620.02, а эталонный фотоприемник 12 последовательно соединен с усилителем 15 сигнала эталонного фотоприемника в виде селективного вольтметра типа Unipan 232, блоком 16 управления током, питающим источник излучения 1, в качестве которого используется ПИД-регулятор, и блоком 2 питания источника излучения. Функциональный генератор 17 типа Г6-15 соединен с усилителем 15 сигнала эталонного фотоприемника 12 и низкочастотным модулятором 6.

Свет от источника излучения 1 собирается сферическим зеркалом 3, модулируется

высокочастотным модулятором 4 с частотой 380 Гц, собирается сферическим зеркалом 5, модулируется низкочастотным модулятором 6 с частотой 8-15 Гц и поступает на входную щель перестраиваемого монохроматора 7. Монохроматизированный световой

поток из выходной щели перестраиваемого монохроматора 7 собирается сферическим зеркалом 8 и поступает на светоотделитель 9, где делится на два пучка, один из которых

падает на исследуемый фотоприемник 10, питание которого осуществляет блок 11 питания. Сигнал с исследуемого фотоприемника 10, усиленный в блоке 13, поступает в блок 14 регистрации. Второй пучок света со

светооделительной пластины 9 поступает на эталонный фотоприемник 12. Сигнал с эталонного фотоприемника 12, усиленный в блоке 15 усиления, поступает в блок 16 управления током, питающим источник излучения, где вырабатывается требуемый уровень тока, чтобы уровень светового потока с выходной щели перестраиваемого монохроматора 7 соответствовал заданному. Ширина выходной цели монохроматора d

- 0,5 мм, что соответствует диапазону 0,15 ммЈ d 0,7 мм, рассчитанному по формуле. При этом устраняются погрешности измерения, вызванные изменением размеров проекции щели монохроматора на исследуемый фотоприемник; неоднородностью фотоприемника в приконтактных областях; люфтом механизма регулирования выходной щели монохроматора, что позволяет повысить точность измерения в 1,6 раза.

Формула изобретения

Способ определения спектральной чувствительности фотоприемника, заключающийся в том, что одновременно освещают эталонный и исследуемый фотоприемники

излучением источника, предварительно прошедшим через перестраиваемый монохроматор, на каждой длине волны измеряют электрический отклик эталонного фотоприемника, по величине которого корректируют

величину светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник, поддерживая его одинаковым для каждой длины волны, и измеряют электрический отклик исследуемого фотоприемника для каждой длины волны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения для нелинейных фотоприемников, величину светового потока корректируют, изменяя ток, питающий источник, и поддерживая ширину d щели монохроматора постоянной в диапазоне, определяемом соотношением

Г/аи M5I5

, -J

КС f iUr

«„p. I J,

ira id «ИН -( Ofl

j .«м

J

где do - максимальная ширина щели монохроматора;

Ф0 - световой поток, проходящий через монохроматор при максимальной ширине

щели;

IT - темновой ток фотоприемника;

Si - интегральная токовая чувствительность;

DT - темновое напряжение на фотоприемнике;

Su интегральная вольтовая чувствительность;

Фп удельный пороговый поток; АЬфф - эффективная шумовая полоса пропускания тракта исследуемого фотоприемника;

-

0

5

0

А- геометрическая фоточувствительная площадь фотоприемника;

di - ширина щели монохроматора, определяемая исследуемой спектральной областью;

d2 - ширина щели монохроматора. при которой вольт-ваттная характеристика эталонного фотоприемника является линейной,

а температуру Т тела накала источника излучения поддерживают такой, что выполняется соотношение

m( A , T(A))-e(A#))-f(A)const;

гдет (А ,Т(А) ) - при Т - const -функция Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела;

е(А ,Т(А),) -при Т const-коэффициент черноты источника излучения;

f (А) - аппаратная функция монохроматора.

±