Способ определения спектральной чувствительности фотоприемника

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/17

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

$(л)- МЮ, P" (Л) S (il) (21) 4627458/25 (22) 04,10.88 (46) 30,04.92. Бюл. М 16 (71) Уральский политехнический институт им.С.M. Кирова (72) Л.Г.Скорняков, Д,А.Барабошкин и B,È,Ñòóê (53) 543.432(088.8) (56) Измерения параметров приемников оптического излучен ия./Под ред, Е.А. Курбатова и др. М.: Радио и связь, 1983, с.282-283. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОПРИЕМНИКА (57) Изобретение относится к фотометрии.

Изобретение позволяет обеспечить возИзобретение 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, БЫ 17305б8 А1 можность 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 . гдето — длина волны;

S (Л) — спектральная чувствительность на длине волны;

U Я вЂ” 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 где Р" (А) — меняется для каждой длины волны по нелинейному закону.

1730568

При размерах фотоприемников, больших проекций выходной щели монохроматора, выходной сигнал, снимаемый с исследуемого фотоприемника, зависит от расположения 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 подложках: аналогичное увеличение эффективной фоточувствительной площади вызвано переотражением света в подложке. Линейные размеры фоточувствительных плошадок 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 размеры проекции (пятна) составят А1=50-750 мкм.

Для снятия, например, полной спектральной характеристики при отношении интенсивности излучения источника в максимуме и на крыльях спектральной ха30

Небольшое изменение мощности на выходе монохроматора даст большую погрешность измерений, и вид искомой характеристики спектральной чувствительности исказится. 5

Для снятия характеристики спектральной чувствительности нелинейных фотоприемников, в том числе фотоприемников на рассеивающих и прозрачных подложках, . необходимо выполнение двух условий. 10

Во-первых, нужно обеспечить поддержание на заданному уровне светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник при каждом изменении длины волны. В противном случае будет изме- 15 ряться не спектральная чувствительность фотоприемника $ Я . а произведение спектральной чувствительности на спектральную функцию мощности монохроматического излучения в плоскости 20 фотоприемника.

Во-вторых, необходимо обеспечить постоянные размеры выходной щели монохроматора. Изменение размеров выходной щели монохроматора приводит к погрешно- 25 стям, вызванным несколькими причинами, рактеристики 1:10 с учетом того, что в монохроматоре синхронно изменяются обе щели, потребуется для поддержания потока (Ф) постоянной мощности на выходе монохроматора изменять ширину щели в 100 раз (Ф А щели), при этом размеры проекции (пятна) изменяются от 5 до 500 мкм. При измерении спектральной чувствительности напряжение, снимаемое с фотоприеМника, пропорционально изменению сопротивления фотоприемника:

Uо" R

При этом изменение сопротивления фотоприемника будет характеризоваться следующей зависимостью: лR = (At7+6 5„ +gfg лю =ф ы j где p — удельное сопротивление фотоприемника; (— расстояние между контактами;

S — площадь фоточувствительного слоя;

Ь вЂ” ширина фотоприемника;

d — толщина фоточувствительного слоя;

R — изменение сопротивления фотоприемника.

При этом

>г

>1 zßã г — (М) Л1 — составляющая, характеризующая спектральную чувствительность фотоприемника, т.е. полезная составляющая сигнала; — (p Л P — составляющая, обуслов1 г г ленная изменением размеров проекции выходной щели (пятна) монохроматора на фотоприемник, т.е, шумовая составляющая сигнала, вносящая погрешность в измерения; г —,,(- ))ЛФ вЂ” составляющая, обуслов- . г аФ ленная нестабильностью светового потока, падающего на фотоприемник, т,е. шумовая составляющая сигнала;

4 2 3х — ()гЛ хг — составляющая, обусловленная неоднородностью фотоприемника в приконтактных областях, т.е. шумовая составляющая сигнала.

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

1730568

Ф = Фо (д-), В спектрофотометре световой поток, падающий на исследуемый фотоприемник, ха ра ктеризуется следующей зависимостью:

Ф, (Л) =Kd m (k,Т) е(Л,,Т)«(Л), 5 где Фо-- световой поток;

К- постоянная; (А )- аппаратная функция монохроматора; 10

d — ширина щели монохроматора;

m (il,, Т) — функция Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела; е(il,Т) — коэффициент черноты источ- 15 ника излучения.

При постоянных размерах щели монохроматора в предлагаемом спектрофотометре обеспечить заданный постоянный уровень светового потока, падающего на 20 исследуемый фотоприемник, можно за счет управления температурой тела накала источника излучения таким образом, чтобы

m(iL, т(Л )) (Л,т{А)) «Р)=СОПЗС, Одним из необходимых условий повышения точности измерения является поддержание постоянной ширины выходной щели монохроматора на протяжении всего З0 цикла измерений (т,е. снятия всей характеристики одного фотоприемника). При этом на размер щели монохроматора накладывается ряд ограничений. Максимальный размер щели ограничивается линейной З5 областью вол ьт-ватт ной ха рактеристики эталонного фотоприемника и предельным значением светового потока, падающего на исследуемый фотоприемник. Требование линейности вольт-ваттной характеристики 40 эталонного фотоприемника обусловлено необходимостью обеспечения работоспособности блока управления температурой тела накала источника излучения, для которого сигнал с выхода эталонного фотопри- 45 емника является управляющим сигналом.

При отклонении от линейности, т.е. уменьшении крутизны характеристики, падает чувствительность эталонного тракта, что приводит к искажению снимаемой ха- 50 рактеристики (растягиванию, сглаживанию), а в области насыщения — к невозможности изменения температуры тела накала источника излучения, и снижает точность измерений. 55

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

Фпред 10" Ф", Л4фф- А)" где Фпр д — предельное значение светового потока, падающего на фотоприемник, при отсутствии специальных требований к фотоприемнику;

Фп* — удельный пороговый поток;

Жфф — эффективная шумовая полоса пропускания измерительного тракта;

А — геометрическая фоточувствител ьная площадь фотоприемника, Поскольку в предлагаемом спектрофотометре содержится монохроматор с синхронно изменяющимися щелями и щели равномерно заполнены излучением, то где бо — максимальная ширина щели монохроматора;

d — ширина щели монохроматора, тогда максимальный размер щели монохроматора составляет г *

0 г 0 Фг . / г Д 1/гг1/г о

Оба указанных ограничения должны удовлетворяться одновременно, следовательно („г

Д(мин -/

103 Ф г0 0/и г, 1/г г/г

Фо .

Минимальный размер щели монохроматора ограничивается исследуемой спектральной областью и чувствительностью измерительного канала, т.е. минимальный размер щели должен быть таким (d<), чтобы охватывалась вся исследуемая область, задаваемая типом исследуемого фотоприемника.

Чувствительность измерительного канала можно охарактеризовать следующими зависимостями:

2!т

Фмин = о, если измеряется ток, $ или

2 От

Фмин = —, если измеряется напряже >и ние.

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

1730568

> мякс . 1

2U, /2 10 к

d1.

15 Ит ) макс Мт сД(мин а, 20

30-=0,5 мм, что соответствует диапазону 0,15.мм -

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:

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

PM-2, сферическое зеркало 8, светоотделитель 9 в виде полупрозрачной тонкой пластины, исследуемый фотоприемник 10 типа фоторезистора на основе соединения

Cd>Pb>->S на держателе с блоком питания

11, эталонный фотоприемник 12, в качестве которого используется термоэлемент VTh—

1 Саг1 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 фото35

55 приемника 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 монохро-. матора 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, пи ание 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 = 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, Ф о р мул а и зоб рете н и я

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 шири1730568 ну d щели монохроматора постоянной в диапазоне, определяемом соотношением

2tт ий макс 110т i нс мин г«РР, у(и (>„р а do(р (sfýóó "j

50.

Составитель С.Шестак

Техред М.Моргентал

Корректор 3.Лончакова

Редактор Н.Горват

Заказ 1510 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при.ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 где d< — максимальная ширина щели монохроматора;

Фо — световой поток, проходящий через монохроматор при максимальной ширине щели;

lT — темновой ток фотоприемника;

Я вЂ” интегральная токовая чувствительность;

От — темновое напряжение на фотоприемнике;

$Ц вЂ” интегральная вольтовая чувствительность;

Ф вЂ” удельный пороговый поток;

Жэфф — эффективная шумовая полоса пропускания тракта исследуемого фотоприемника;

А — геометрическая фоточувствительная площадь фотоприемника;

di — ширина щели.монохроматора, определяемая исследуемой спектральной об5 ластью; б — ширина щели монохроматора, при которой вольт-ваттная характеристика эталонного фотоприемника является линейной, 10 а температуру Т тела накала источника излучения поддерживают такой, что выполняется соотношение в(А, Т(Л)) е(Л;@)) т(Л)=сспм;

15 где m (1, Т(А) ) — при T=const — функция

Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела; е (Я, Т(А),). — при Т - const- коэффи20 циент черноты источника излучения;

f (il) — аппаратная функция монохроматора,