Устройство для измерения частотно-контрастной характеристики фотоприемников

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .

РЕСПУБЛИН

„„80„„1144032

4(и) G 0.1 N 21 01

1 РОСУДАРСТБЕННЫЙ НОМИ. ГЕТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АЗТОРСИОМУ ОВИДЕТН ОТВУ (21) 3570456/24-25 (22) 28.03.83 ,(46) 87;03.85. Бюл. Р 9 (72) E.И. Антонец (53} 535.24(088;8) (56) 1 ° Полупроводниковые формирователи сигналов иэображения. М., "Икр", 1979 с. 387.

2. IEEE.Tians ЕEectroa Devices.

1986, 27, Р 1, р. 183-185 (нрото.тип) .. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕНИЯ

ЧАСТОТНО-К08ТРАСТНОА ХАРАКТЕРИСТИКИ

ФОТОНРИЕИНИЕОВ, . содержащее интерфероиетр, соединенный с модулятором

4м зы интерференции и механизмом изменения в отсчета"периода полос, ши рокополосный усилитель, параллельно подключенные.к его выходу каналы преобразования сигнала s первую и вторую гармоники частоты модуляции, каждый.из которых содержит последовательно соединенные узкополосный фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детект6р, а также сумматор, входы которого соединены с выходами каналов иреобразования сигналов, о т л и ч а ю щ е аr я тем,, что,,с целью повышения точности измерений, в него 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 гармо-. ники и блок фор ырования сигнала о фазе, содержащий два параллельных канала, каждый из которых включает последовательно соединенные фазовый детектор, комларатор и формирователь импульсов, подключенных через схему

И к входу фориирователя напряжения, выход которого соединен с перемножителем, при этом первые входы фазовых детекторов соединены каждый с выходом одного из узкополосных фильтров, второй вход одного фазового детектора соединен с модулятором фазы интерференции, а второй вход другого фазового детектора — c выходом формирователя второй гармоники, вход которого соединен с модулятором фавы интерференции.

111чО

Изобретение относится к измерению электрических и магнитных величин оптическими методами, а именно к испытанию отдельных полупроводниковых приборов, в частности фотоприем-! ников, и может быть использовано для измерения эффективных размеров фоточувствительных площадок многоэлементных фотоприемников и зазоров между ними. 10

Известно устройство для измерения частотно-контрастной. характеристики (ЧКХ) и распределения чувствительности по площади одноэлементных фотоприемников, содержащее оптическую 15 систему, формирующую тестовое излучение на площади исследуемого фотоприемника, схему обработки и измерения сигнала с,фотоприемника и устройство отображения распределения чувстви- 20 тельности. Измерения с помощью этого устройства производят следующим образом; по поверхности приемника вдоль координаты K перемещают изображение светящейся узкой щели, электрический 25 сигнал с фотоприемника обрабатывается и записывается на двухкоординатном

-самописце. Форма кривой, вычерченная самоиисцем, зависит как от.распределения чувствительности Я, (Х) вдоль площади фотоприемника, так и от распределения интенсивности света по ширине щели) (Х) и является сверткой этих величин

Для нахождения истинного распределе- ния чувствительности вдоль фотоприемника измеряют (независимо) распределение интенсивности по щели и выпол- 40 няют.математическую операцию, обратную свертке. Для этого вычисляют преобразование Фурье 5 (Х), Д ()(), делением первого на второе определяют

Фурье-образ Я (X), который и являет- 45 ся ЧКХ фотопрйемника. Все перечисленные преобразования производят при помощи электронно-вычислительных машин jt) .

Недостатками данного устройства 50 являются малая точность измерений, малая оперативность процесса определения ЧКХ и большой объем вычислительных работ.

Наиболее близким по технической 55 сущности к изобретению является устройство измерения частотно-контрастной характеристики фотоприемников, 32 2 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 одноэлементного фотоприемника при помощи известного устройства следует, изменяя нерио интерференционных полос при различных. величинах периода, отсчитывать значения напряжения на измерителе и извлекать квадратный корень. Полученная таким образом зависимость является модулем ЧКХ (2j .

Недостатками известного устройства являются малая точность измерений модуля ЧКХ, малая оперативность измерений, невозможность измерить точную

ЧИХ с учетом фазы.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее интерферометр, соединенный с модулятором фазы интеррференции и механизмом изменения и отсчета периода полос, HIHpoKoIIoJIocHb1H усилитель, параллельно подключенные к его выходу каналы преобразования сигнала в первую и вторую гармоники частоты модуляции, каждый нз которых содержит последовательно соединенные узкополосный 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, содержащий два параллельных канала, каждый из которых включает последо11440 вательно соединенные фазовый детектор, компаратор и формирователь импульсов, подключенных через схему И к входу формирователя напряжения, выход которого соединен с перемножителем, при этом первые входы фазо" вых детекторов соединены каждый с выходами одного из узкополосных фильтров, второй вход одного фазового детектора соединен с модулятором 10 фазы интерференции, а второй вход другого фазового детектора — с выходом формирователя второй гармоники, вход которого соединен с модулятором фазы интерференции. 15

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, поскольку при этом исключается измерение малых сигналов, отсчет величин напряжений и периода интерференционных полос, вычисление результатов, точ ная фиксация перехода ЧКХ через ноль.

В предлагаемом устройстве относительные изменения напряжения при изменении периода полос отрабатываются . устройством отображения со значитель35 но большей точностью, особенно поло-. жение нулей, что определяет точность вычисления распределения чувствительности но площади фотоприемника.

Введение дополнительной схемы форин- 4О рования сигнала о фазе и перемножителя сигналов обеспечивает качественное повышение точности — возможность измерения точной ЧКХ с учетом фазьг.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения

ЧКХ; на фиг.2 — ЧКХ фотоприемника, измеренная при помощи предлагаемого устройства; на фиг.3 — распределение чувствительности по площади фотоприемника. устройство содержит источник излучения, установленный перед ин терферометром 2, который соединен с модулятором 3 фазы интерференции и 55 механизмом 4 изменения и отсчета периода полос, исследуемый фотоприемник 5, оптически сопряженный с интер32 4 ферометром 2 и соединенный с шнрокопопосным усилителем 6. К выходу широкополосного усилителя 6 подключены два параллельных канала, содержащие 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 формирователями

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 — e 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 фильт- ру 8 второй гармоники.

Е

Поскольку ЧКХ К (-) одноэлементТ ного фотоприемника есть преобразование Фурье распределения чувствитель- ности 5 (X) по площади фотоприемника (о ° 2ц ! { 1тМ

ik — = б(х е JX,а модуль ЧКХ есть

М модуль преобразования Фурье или зависимость нормированной амплитуды электрического сигнала фотоприемника от пространственной частоты воздействующего на фотоприемник одночастотного (в пространственной области) излучения, в предлагаемом устройстве используется метод непосредственного измерения ЧКХ. На площади фотоприем1144032 ника формируется излучение с гармоническим распределением интенсивности, изменяется пространственная частота излучения и регистрируется величина сигнала с фотоприемника. Для повышения точности измерений вводится моцуляция положения пространственной картины излучения относительно площади фотоприемника, что дает возможность работать с переменными сигнала- 10 ми и получать напряжение, пропорциональное ЧКХ, т.е. меняющееся с изменением пространственной частоты излучения.

Устройство работает следующим об- 15 разом.

При помощи источника 1 излучения и интерферометра 2 иа площади исследуемого фотоприемника 5 формируется тестовое излучение в виде интерферен- 20 ционнык полос. Иодулятором 3 осуществляется модуляция пространственной фазы интерференции, т.е. модуляция положения полос относительно площади фотопрйемника. При этом на вы- 25 ходе фотоприемника 5 возникает электрический сигнал с широким спектром, содержащим все гармоники частоты модуляции Я . Усилителем 6 этот сигнал усиливается. Блоками 7-16, обра- ЗО зуко ми двухканальный формирователь модуля ЧКХ,. осуществляется преобразование электрического сигнала с фотоприемника в электрический сигнал, пропорциональный модулю ЧКХ фото 35 приемника, защищенный от влияния вибрации и нерегулярных колебаний его величины при перестройке периода интерференционных полос в процессе измерений. Одновременно.нри помощи блоков 20-28, представляющих собой схему формирования напряжения, пропорционального фазе ЧКХ, формируется ,ностоянное напряжение полярностью, соответствующей фазе ЧКХ.

На перемножителе 12 формируется напряжение, пропорциональное точной

ЧКХ с учетом фазы, меняющееся с изме .некием периода интерференционных полос. Сформированное напряжение, 50 пропорциональное ЧКХ, регистрируется на устройстве 18 отображения, в каЧестве которого может быть использо-. ван двухкоординатный самописец. Напряжение развертки устройства отображе- Я ния формируется блоком 19 при помощи потенциометра (не показан), жестко связаннога с осью механизма .4 изменения и отсчета периода полос н задающего напряжение, обратно пропорциональное периоду полос. При модуляции модулятором 3 с частотой Я пространственной фазы интерференции на выходе фотоприемника .5 возникает электрический сигнал g.(4) с широким спектром, содержащим все FspMQHHKH частоты модуляции Я . При малом индексе модуляции П разложение в спектр напряжения электрического сигнала принимает внд

Н (tl Ц (mnnn yn .sin at — сосцосоо2 at ...)k() где "о — постоянная составляющая;

 — индекс модуляции;

СЦ вЂ” фазовый угол интерференции, определяющий начальное .положение интерференционных полос на площади фотоприемника, относительно которого производится модуляция;

Т вЂ” период интерференционных по" лос;

Л1

K I T» — частотно-контрастная характеристика фотонриемннка.

При произвольном индексе модуляции

YA напряжение электрического сигнала также раскладывается в спектр гармоник частоты модуляцйи с более сложной зависимостью амплитуд от п1 . Амплитуды гармоник пронорцнональны k (-) и

Т зависят от g и от начальной фазы(g интерференционных полос относительно площади фотопрйемника через функции

s>o «f» и cosg . Начальная фаза (p 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 исключает возможность измерения ЧКХ.

Чтобы получить напряжение, пропорциональное К (-), а также исклю.1 чить влияние. вибрационных колебаний и другнк йомех промышленного и теплового проиехождения, вводится обработка электрического сигнала с фотоприемника 5. При.помощи фильтров

7 и 8 из широкополосного сигнала

U(4) выделяются первая и вторая гармоникм, усйлителями 9 и 10 с коэффициентами усяления k, и К выраниваютпри изменении знака К (-).

Измерение ЧКХ сводится к следующему. При помощи механизма 4 изменяют период интерференционных полос, создаваемых интерферометром 2 на площади фотоприемника 5, от больших (i мм) до самых малых (5 мкм). При этом в каждый момент, соответствующий определенному периоду полос, на перемножитепе 17 формируется напряже1 ние, пропорциональное ЧКХ К (-),. Кривая ЧКХ регистрируется на устройстве l8 отображения.

Проведенная на макете предлагае15 мого устроиства опытная проверка (измерение ЧКХ одной площади бОхбО мкм тестового излучения использовано излосы формируют интерферометром Майкельсона. Представленная на фиг.2

ЧКХ указанного фоторезистора измерена при помощи макета предлагаемого устройства.

В предлагаемом устройстве ЧКХ извертки отображающего устройства величине периода интерференционных поВремя на измерение ЧКХ одноэлементнего фотоприемника. затрачиваемое

7 1144032 8

1Я ся их максимальные амплитуды1,р= 1 — второи гармоник при изменении q ме г 29 7 квадраторами 11 и 12 формируются няются поочередно, а при изменении

1 квадраты функций, детекторами 13 и знака К (-) — одновременно, то и ло14 образуются напряжения, пропорцио- гическая схема И 27 изменяет полярнальные квадратам амплитуд гармоник, 5 ность напряжения источника 28 только сумматором 15 они складываются. При этом, поскольку суммируются напряжения, пропорциональные sin у и cos2< их сумма не зависит от („ . (А 1п ц +А со 4 " (y)=

2(11 10

«А К (—.,)(ел о1со Чо =" " где

Ю

А-k rn= k

1 2 На выходе сумматора 15 получается . напряжение, равное сумме квадратов амплитуд гармоник, не зависящее бт

q и пропорциональное k (-). Ha вы2 1 о Т ходе устройства извлечения квадрат- 20 ного корня 16 получается напряжение, пропорциональное модулю частот- фоторезистора на основе CdHgTe) порно-контрастной характеристики 1k 1 - )

1 тверждает возможность измерения ЧКХ

1 т) которое регистрируется устройством с необходимой для вычисления преобра18 отображения. зования Фурье точностью. В качестве

Точная ЧКХ К (-) получается в ре1 .т зультате перемножения перемножителем,лучение газового лазера с длиной

17 медленно меняющегося напряжения, волны 10,6 мкм. Интерференционные попропорционального к(-)(, и постоян1 ного напряжения, полярность которого 30

1 совпадает со знаком фазы k(-), соз даваемого формирователем 28 напряжения. Схема 20-27, управляющая полярностью напряжения формирователя 28 напряжения изменяет знак напряже- - меряется непосредственно. Точность

У "5 ния + g на — P или - ((на + (1 при одно- измерения определяется степенью повременном изменении фазы колебаний стоянства контраста интерференционных обеих гармоник обусловленном изме- .>о»е при Различных периодах и точъ 1 .нением знака g (-) но сохраняет знак ностью соответствия напряжения раз7 напряжения при поочередном изменении фазы колебаний гармоник, вызванном изменением сР. На выходе фазовых де- лос ° Величины всех перечисленных по"

-1O текторов 21 и 22 образуется положи- грешностей измерения определяются тельное или отрицательное напряжение техническим исполнением cootBeTcTв зависимости от того, совпадают ли 45 вуюших устройств и составляют 5-10 . фазы первой и второй гармоник сигнала с фотоприемника 5 с фазами опорных напряжений модулятора 3. Компараторы одним оператором, составляет 5-10 мин. 23 и 24 формируют импульсы соответ- Таким образом, предлагаемое устствующей полярности при изменении 50 ройство обладает большей точностью фазы гармоник в момент перехода и оперативностью процесса измерений, через нуль амплитуд гармоник Форми кроме того, дает возможность опредерователи 25 и 26 импульсов формируют лить с высокой точностью распредеимпульсы управления логической схе- ление чувствительности по площади мой И 27, которая переключает поляр 55 фотоприемника, а также размеры площаность источника 28 напряжения в модок и зазоров между ними в линейке мент изменения фазы обеих гармоник, или матрице фотоприемника с точтак как фазы колебаний первой и ностью a/2. Для этого следует при

9 1144032 0 измерениях суммировать сигн лы с у фотоприемников с размерами площадвух площадок, т.е. измерять ЧКХ с ; док, сравнимыми с дифракционным прераспределением чувствительности, делом оптических систем в инфракраспоказанным на фиг.3, и вычислить ном диапазоне (40 мкм для Я обратное преобразование Фурье от из- g,= 10,б мкм}, а также размеров чувстмеренной IKX ° Других способов изме- вительных площадок и зазоров Mezqy рений распределения чувствительности ними с такой точностью нет.

ВПИИПИ Заказ 897/38 Тираж 897 Падржаара