CN100507459C - 探测器表面响应特性测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种探测器表面响应特性测试仪及其测试方法，该测试仪包括光学聚焦系统、XY两轴位置控制平台、信号放大与采集系统、控制与显示系统。由计算机分别连接并控制I/O端口和A/D转换器，I/O端口分别连接并控制X、Y轴步进电机驱动电路和半导体激光器，X、Y轴步进电机驱动电路分别连接并控制X、Y轴步进电机，从而控制二维位移平台，半导体激光器的光束经过设有直径0.1mm小孔的聚焦镜筒形成＜0.1mm直径的光斑，光斑照射于设在XY二维位移平台上的探测器表面使其产生响应的电信号，探测器表面经放大器连接A/D转换器，电信号经放大器放大后，由A/D转换器转换为数据信号送计算机处理。

Description

探测器表面响应特性测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及测试技术，特别是涉及一种利用光、机、电组成的测试系统来实现探测器表面响应特性测试的装置及其方法。

背景技术

如何快速直观地显示探测器表面响应特性，是器件研制者和使用者都十分关心的问题。特别是在制造大面积探测器工艺技术的研究过程中，为及时检测工艺改进效果，有一快速直观地显示探测器表面响应特性测试仪就显得十分重要。

目前现有技术中有采用普通光源进行探测器表面响应特性测试设备，如我国西南技术物理研究所研制的一台用于雪崩光电探测器均匀性观测系统，该观测系统利用普通光源发出的光经过一小孔辐射在探测器的表面，利用微动台改变不同的探测点，经过光电转换从而记录下探测器表面的均匀性，该系统只能对响应率高的探测器表面特性探测有效。也有采用红外光源进行探测器表面响应特性测试的，如我国电子工业部四十一所青岛分所研制的一红外小光点扫描测试仪，该扫描测试仪利用黑体的辐射通过聚焦光学系统及控制平台、电子学信息处理来测试红外单元器件的有效响应面积及光敏面内的响应均匀性。该系统存在光路调节烦琐及要求探测器响应率高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种能快速有效进行探测器表面响应率，特别是低响应率特性测试的探测器表面响应特性测试仪及其测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种探测器表面响应特性测试仪，包括：

一光学聚焦系统，设有半导体激光器和内有直径可小于等于0.1mm小孔的聚焦镜筒；

一XY两轴位置控制平台，设有X轴步进电机和Y轴步进电机；

一信号放大与采集系统，设有放大器、I/O端口和A/D转换器；

一控制与显示系统，设有计算机、用于半导体激光器的调制脉冲控制、控制二维位移平台的X轴步进电机驱动电路和Y轴步进电机驱动电路；

由所述计算机分别连接并控制所述I/O端口和所述A/D转换器，所述I/O端口分别连接并控制所述X轴步进电机驱动电路、所述Y轴步进电机驱动电路和所述半导体激光器，所述X轴步进电机驱动电路和所述Y轴步进电机驱动电路分别连接并控制所述X轴步进电机和所述Y轴步进电机，从而控制XY二维位移平台，所述半导体激光器的光束经过设有直径小于0.1mm小孔的所述聚焦镜筒形成小于0.1mm直径的光斑，所述光斑照射于设在XY二维位移平台上的探测器表面使其产生响应的电信号，所述探测器表面经所述放大器连接所述A/D转换器，所述电信号经放大器放大后，由所述A/D转换器转换为数据信号送所述计算机处理。

所述放大器为窄带选频放大器。

所述步进电机驱动电路为8细分的步进电机驱动电路。

所述二维位移平台为滚珠丝杠二维位移平台。

所述A/D转换器为12位的A/D转换器。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种探测器表面响应特性测试方法，其步骤如下：

a)光学聚焦系统的<0.1mm直径的光斑照射于探测器表面使其产生响应的电信号；

b)所述电信号经放大器拾取放大；

c)所述放大的电信号经A/D转换器转换为数字信号；

d)所述数字信号提供给测试仪计算机进行处理，计算机根据当阻值变化ΔR时可得输出电压V_L和入射辐射功率P₀的关系 $V_L=\frac{V_A{R}_{L1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_T\mathrm{\&alpha;}{P}_0{R}_1}{{(R_2+R_{L2})}^{2}G\sqrt{1+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_T\right)}^2}}$ 进行处理，计算出该测试点的响应数据；

e)计算机测试软件实时地输入并显示所测试的点的坐标和该点的响应数据；

f)采用由步进电机驱动电路驱动的XY滚珠丝杠二维位移平台完成光斑测试点的移动；

g)重复所述步骤a)到所述步骤e)以进行新测试点响应数据的测试、输入和显示；

h)通过采集处理每一测试点的响应数据便可以测试分析并得到探测器的表面响应特性，即数据采集完成后用该二维数据表绘制成3D图形，直观的显示探测器表面响应特性。

利用本发明提供的探测器表面响应特性测试仪，由于

1)测试用光斑小于等于0.1mm；

2)每个测试点和相邻测试点之间的间距小于等于0.15mm；

3)AD转换位数大于等于10位；

4)光斑具有足够的能量，使测试仪的信噪比大于等于30；

所以本发明的探测器表面响应特性测试仪能快速有效进行探测器表面响应率，特别是低响应率探测器表面响应特性的测试。

附图说明

图1是本发明实施例的探测器表面响应特性测试仪的系统方框图；

图2是本发明实施例的光学部分的结构示意图；

图3是本发明实施例的测试软件的显示界面图；

图4是本发明实施例的探测器表面响应特性测试仪的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

参见图1所示，本发明实施例的探测器表面响应特性测试仪，包括光学聚焦系统、XY两轴位置控制平台、信号放大与采集系统、控制与显示系统。

本发明实施例是一个小光点、小信号、小位移的测试系统，对于测试点的位置控制较为严格，在100μm以下，将光斑调制到10Hz的频率，采集数据和光斑的调制必须同步才能保证采集数据的准确性，探测器的响应只有40μv左右，必须经过放大电路拾取放大，并经A/D转换器转换成数字信号提供给测试仪计算机进行处理。

光学聚焦系统：光学聚焦系统采用波长650nm，出瞳功率16mw，接口TTL电平，如图2所示，可调制的半导体激光器1作为辐射光源，光束经过第一块物镜2聚焦后通过直径0.1mm的小孔3光阑，再经过第二块物镜4将其聚焦成<0.1mm直径的光斑，光斑照射于探测器表面5使其产生响应的电信号，由A/D卡采集数据送计算机处理。

XY二维位置控制平台：光学聚焦系统一次性调焦完成后就无须再动，移动光学系统来产生光斑的相对位移是不现实的，因此采用XY二维位置控制平台来完成光斑的移动，X轴控制光斑的行扫描，Y轴控制光斑的列扫描，由于要求光斑每次扫描的距离只有100μm且不允许有位置上的误差，因此XY二维位置控制平台就采用了控制精度高、无累积误差的步进电机驱动的滚珠丝杠二维位移平台作为系统的机械位移部分。

信号放大与采集系统：当光斑照射在探测器平面时，探测器的响应只有40μv左右，如此小的信号是不容易采集和处理的，本发明实施例设计制作了25万倍的窄带选频放大器，将信号放大到-10v—+10v之间，然后送到计算机处理。采集系统采用PCI总线的12位A/D带32路数字量I/O的采集卡，A/D通道用于放大器输出模拟量的采集，32路数字量I/O用于输出激光器调制脉冲信号和二维平台的运动速度、方向、位大小移、前限位保护和后限位保护等的脉冲与电平信号。

控制与显示系统：控制部分又分为调制脉冲的控制和二维平台的控制，其中调制脉冲较为简单，直接用软件通过I/O端口输出10Hz脉冲即可。而二维平台的控制较为复杂，本发明实施例所选的二维平台步进电机是42BYGH101型，步距角1.8度，而台面螺杆导程1mm，重复定位精度<0.005mm，为了使平台移动平稳设计了8细分的步进电机驱动电路，因此每一个脉冲滚珠丝杠行程为：1÷(360÷1.8)÷8＝0.000625mm，这样160个脉冲平台刚好向前移动0.1mm<0.15mm满足控制要求，同时用其他I/O口线控制电机正反转，利用检测平台两端限位开关的高低电平进行限位控制。系统显示部分完成将处理完的数据实时显示出来，同时将数据存储在数据文件中，数据采集完成后可以将该二维数据表绘制成3D图形，直观的显示探测器表面响应特性，为最终判断探测器的优劣提供最直接的依据。

在图1中，由计算机分别连接并控制I/O端口和A/D转换器，I/O端口分别连接并控制X轴步进电机驱动电路、Y轴步进电机驱动电路和半导体激光器11，I/O端口输出电机控制脉冲18控制X轴步进电机驱动电路和Y轴步进电机驱动电路，X轴步进电机驱动电路和Y轴步进电机驱动电路分别连接并控制X轴步进电机15和Y轴步进电机17，从而控制XY二维位移平台16，由I/O端口输出的10Hz调制脉冲10控制的半导体激光器11的光束经过设有直径0.1mm小孔12的聚焦镜筒形13成<0.1mm直径的光斑，光斑照射于设在XY二维位移平台上的探测器表面14使其产生响应的电信号，探测器表面14经放大器连接A/D转换器，电信号经放大器放大后，由A/D转换器转换为数据信号送计算机处理。

本发明的探测器表面响应测试仪的测试原理如下：

探测器由半导体材料制成，半导体材料对光的吸收，除了直接产生光生载流子的半征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收。晶格吸收光能后产生热量引起晶格振动加剧，使半导体温度升高。于是束缚能级上的电子或空穴被释放出来成为自由电子、自由空穴，或者是价带中的电子激发到导带成为自由载流子，从而引起电导率显著变化。当光入射功率为P_S＝P₀e^jωt时的阻值变化为： $\mathrm{\&Delta;R}={\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_T{R}_0\frac{\mathrm{\&alpha;}{P}_0}{G{(1+{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&tau;}}_T^2)}^{1/2}}$

其中ω为调制频率，α为探测器材料的吸收率，G为周围环境热导，τ_T＝C/G是探测器热时间常数，R₀是光照前物体的暗阻值。探测器通常接成桥式电路，当阻值变化ΔR时可得输出电压V_L和入射辐射功率P₀的关系， $V_L=\frac{V_A{R}_{L1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_T\mathrm{\&alpha;}{P}_0{R}_1}{{(R_2+R_{L2})}^{2}G\sqrt{1+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_T\right)}^2}},$ 式中，R₁、R₂是完全一样的热敏元件各在一个桥臂，R_L1、R_L2是两个负载电阻，其中一个可调，V_A桥臂参考输出端的电压，

称为ΔT温度间隔内物体的平均温度系数。通过采集处理该电压变化便可以测试分析探测器的响应特性。

测试软件的显示界面如图3所示，该应用程序用VB6.0编制，主要由三部分组成：

测试数据表203是一个二维数据表，用来实时地显示每一测试点的响应数据，可以动态的观察数据的变化。

测试点坐标显示区201用来实时地显示当前所测试的点的坐标和该点的响应数据，使用户清楚的了解每一测试点在探测器平面的精确位置，在这里也显示了测试进度。

二维平台控制区202这里包含了所有的平台控制按钮和绘制3D图形及保存数据按钮，是软件的操纵区。

该软件一经运行能自动完成探测器平面数百个点的扫描及数据采集与存储，并能绘制平面响应的三维图形。

本发明所提供的一种探测器表面响应特性测试方法，其步骤如下：

a)光学聚焦系统的<0.1mm直径的光斑照射于探测器表面使其产生响应的电信号；

b)该电信号经过窄带选频放大器的放大电路拾取放大；

c)放大后的电信号经12位的A/D转换器转换成数字信号；

d)数字信号提供给测试仪计算机进行处理，计算机根据当阻值变化ΔR时可得输出电压V_L和入射辐射功率P₀的关系 $V_L=\frac{V_A{R}_{L1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_T\mathrm{\&alpha;}{P}_0{R}_1}{{(R_2+R_{L2})}^{2}G\sqrt{1+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_T\right)}^2}}$ 进行处理，计算出该测试点的响应数据；

e)计算机测试软件实时地输入并显示所测试的点的坐标和该点的响应数据；

f)采用由8细分步进电机驱动电路驱动的XY滚珠丝杠二维位移平台完成光斑测试点的移动；

g)重复步骤a)到步骤e)以进行新测试点响应数据的测试、输入和显示；

h)通过采集处理每一测试点的响应数据便可以测试分析并得到探测器的表面响应特性，即数据采集完成后用该二维数据表绘制成3D图形，直观的显示探测器表面响应特性。

本发明实施例的探测器表面响应测试仪的结构如图4所示，包括设有底座和立柱台本体31，设置在底座上的电动二维平移台35，设置在电动二维平移台35上的前置放大器32和待测件34，设置在立柱台支架上的光学镜筒33，连接电动二维平移台35的电控装置36，连接电控装置36、前置放大器32和光学镜筒33的计算机37。

探测器表面响应测试仪的机械本体由光学镜筒、立柱台、屏蔽盒、二维电控平移台和底座五个部件组成。

探测仪部件组装关系：

1)把底座放在工作台上；

2)二维电控平移台和立柱台并排通过螺钉固定在底座上；

3)屏蔽盒通过螺钉固定在二维电控平移台上；

4)光学镜筒通过立柱台的夹持臂固定在立柱台上，并可随着夹持臂沿着立柱上下移动。

本发明实施例的光源选用半导体激光器，为了获得满足要求的光斑大小及能量，本发明实施例采用聚焦-成像的光学系统。

为了便于光学系统的调节，本发明实施例中利用机械结构保证光学镜组之间的同轴，小孔光阑经事先调焦定位，并留有在线微调功能，以利于替换时的调节所需。整个光组可进行上下粗调和精调调焦。

为了将探测器输出的原始信号放大，本发明实施例中设计了一低噪声前置放大器，将探测器输出的原始信号放大到符合采集卡所需的电平。

通过计算机控制两维平台的移动达到测试不同点的要求。

Claims (6)

1.一种探测器表面响应特性测试仪，其特征是，包括：

一光学聚焦系统，设有半导体激光器和内有直径0.1mm小孔的聚焦镜筒；

一XY两轴位置控制平台，设有X轴步进电机和Y轴步进电机；

一信号放大与采集系统，设有放大器、I/O端口和A/D转换器；

一控制与显示系统，设有计算机、用于半导体激光器的调制脉冲控制、控制二维位移平台的X轴步进电机驱动电路和Y轴步进电机驱动电路；

由所述计算机分别连接并控制所述I/O端口和所述A/D转换器，所述I/O端口分别连接并控制所述X轴步进电机驱动电路、所述Y轴步进电机驱动电路和所述半导体激光器，所述X轴步进电机驱动电路和所述Y轴步进电机驱动电路分别连接并控制所述X轴步进电机和所述Y轴步进电机，从而控制XY二维位移平台，所述半导体激光器的光束经过设有直径0.1mm小孔的所述聚焦镜筒形成<0.1mm直径的光斑，所述光斑照射于设在XY二维位移平台上的探测器表面使其产生响应的电信号，所述探测器表面经所述放大器连接所述A/D转换器，所述电信号经放大器放大后，由所述A/D转换器转换为数据信号送所述计算机处理。

2.根据权利要求1所述的探测器表面响应特性测试仪，其特征是，所述放大器为窄带选频放大器。

3.根据权利要求1所述的探测器表面响应特性测试仪，其特征是，所述步进电机驱动电路为8细分的步进电机驱动电路。

4.根据权利要求1所述的探测器表面响应特性测试仪，其特征是，所述二维位移平台为滚珠丝杠二维位移平台。

5.根据权利要求1所述的探测器表面响应特性测试仪，其特征是，所述A/D转换器为12位的A/D转换器。

6.一种探测器表面响应特性测试方法，其特征在于，方法的步骤如下：

a)光学聚焦系统的<0.1mm直径的光斑照射于探测器表面使其产生响应的电信号；

b)所述电信号经放大器拾取放大；

c)所述放大的电信号经A/D转换器转换为数字信号；

d)所述数字信号提供给测试仪计算机进行处理，计算机根据当阻值变化ΔR时可得输出电压V_L和入射辐射功率P₀的关系 $V_L=\frac{V_A{R}_{L1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_T\mathrm{\&alpha;}{P}_0{R}_1}{{(R_2+R_{L2})}^{2}G\sqrt{1+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&tau;}}_T\right)}^2}}$ 进行处理，计算出该测试点的响应数据，式中ω为调制频率，α为探测器材料的吸收率，G为周围环境热导，τ_T为探测器热时间常数，R₁、R₂是完全一样的热敏元件各在一个桥臂，R_L1、R_L2是两个负载电阻，其中一个可调，V_A为桥臂参考输出端的电压，

称为ΔT温度间隔内物体的平均温度系数；

e)计算机测试软件实时地输入并显示所测试的点的坐标和该点的响应数据；

f)采用由步进电机驱动电路驱动的.XY二维位移平台完成光斑测试点的移动；

g)重复所述步骤a)到所述步骤e)以进行新测试点响应数据的测试、输入和显示；

h)通过采集处理每一测试点的响应数据测试分析并得到探测器的表面响应特性。

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