SU1144032A1 - Устройство дл измерени частотно-контрастной характеристики фотоприемников - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к измерению электрических и магнитных величин оптическими методами, а именно к испытанию отдельных полупроводниковых приборов, в частности фотоприемНИКОВ , и может быть использовано дл  измерени  эффективных размеров фоточувствительньк площадок многоэлементных фотоприемников и зазоров между ними, Известно устройство дл  измерени  частотно-контрастной.характеристики (ЧКХ) и распределени  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 отображени  распределени  чувствительности . Измерени  с помощью этого устррйства производ т следующим обра зом: по поверхности приемника вдоль координаты Х перемещают изображение свет щейс  узкой щели, электрический , сигнал с фо.топриемника обрабатываетс и записываетс  на двухкоординатном самописце. Форма кривой, вычерченна  самописцем, зависит как от распределени  чувствительности 6ц (х) вдоль площади фотоприемника, так и от расп ределени  интенсивности света по ширине щелиЗы,{К) и  вл етс  сверткой этих величин SsW-JW tbU-)Дл  нахождени  истинного распределени  чувствительности вдоль фотоприем ника измер ют (независимо) распределение Интенсивности по щели и выполн юТ математическую операцию, обратную свертке. Дл  этого вьпшсл ют преобразование Фурье ), Оц(Х), делением первого на второе определ ю Фурье-образ 5ц(Х) , который и  вл етс  ЧКХ фотоприемника. Все перечисленные преобразовани  производ т при помощи злектронно-вычислительных машин tj . Недостатками данного устройства  вл ютс  мала  точность измерений, мала  оперативность процесса определени  ЧКХ и большой объем вычислительных работ. Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство измерени  частотно-контрастной характеристики фотоприемников, содержащее интерферометр, соединенный с модул тором фазы интерференции и механизмом изменени  и отсчета периода полос, широкополосный усилитель , параллельно подключенные к . его выходу каналы преобразовани  сигнала первую и вторую гармоники частоты модул ции, каждый из которых содержит последовательно .соединенные узкополосный фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детектор, а также сумматор, входы которого соединены с выходами каналов преобразовател  сигналов. При измерении модул  ЧКХ одноэлемент 1ого фотоприемника при помощи известного устройства следует, измен   период интерференционных полос при различных величинах периода, отсчитывать значени  напр жени  на измерителе и извлекать квадратньш корень. Полученна  таким образом зависимость  вл етс  модулем ЧКХ 21 . Недостатками известного устройства  вл ютс  мала  точность измерений модул  ЧКХ, мала  оперативность измерений , невозможность измерить точную ЧКХ с учетом фазы. Цель изобретени  - повьшение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее интерферометр , соединенный с модул тором фазы интерференции и механизмом изменени  и отсчета периода полос, пгарокополосный усилитель, параллельно подключенные к его выходу каналы преобразовани  сигнала в первую и вторую гармоники частоты модул ции, каждьш из которых содержит последовательно соединенные узкополосньй фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детектор, а также сумматор, входы которого соединены с выходами каналов преобразовани  Сигналов, дополнительно введены последовательно подключенные к выходу сумматора устройство извлечени  квадратного корн , перемножитель , устройство отображени  частотно-контрастной характеристики и блок формировани  напр жени  развертки, соединенный с механизмом изменени  и отсчета периода полос, а также формирователь второй гармоники и блок формировани  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 формировател  напр жени , 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 модул тором фазы интерференции, а второй вход другого фазового детектора - с выходом формировател  второй гармоники, вход которого соединен с модул тором фазы интерференции. Введение новых элементов - устройства извлечени  корн , перемножител , устройства отображени  ЧКХ, блока формировани  напр жени  развертки и схемы формировани  сигнала о фазе - позвол ет количественно и качественно повысить точность измерени  ЧКХ. Количественно повышаетс  точность измерени  модул  ЧКХ, особенно при высоких пространственных частотах и вблизи нулей ЧКХ, посколь ку при этом исключаетс  измерение ма лых сигналов, отсчет величин напр жений и периода интерференционных йолос, вычисление результатов., фиксаци  перехода ЧКХ через ноль В предлаг.аемом устройстве относительные изменени  напр жени  при изменении периода полос отрабатываютс  устройством отображени  со значитель но большей точностью, особенно положение нулей, что определ ет точность вычислени  распределени  чувствительности по площади фотоприемника. Введение дополнительной схемы формировани  сигнала о фазе и перемножите л  сигналов обеспечивает качественно повышение точности - возможность измерени  точной ЧКХ с учетом фазы. На фиг.1 представлена функциональ на  схема устройства дл  измерени  ЧКХ; на фиг.2 - ЧКХ фотоприемника, измеренна  при помощи предлагаемого устройства; на фиг.З - распределение чувствительности по площади фотоприемника . Устройство содержит источник излучени , установленный перед интерферометром 2, который соединен с модул тором 3 фазы интерференции и механизмом 4 изменени  и отсчета периода полос, исследуемый фотоприемник 5, оптически сопр женньш с интер ферометром 2 и соединенный с широкополосным усилителем 6. К выходу широкополосного усилител  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 извлечени  квадратного корн , которое соединено с перемножителем 17, выход последнего соединен с устройством 18 отображени  ЧКХ, а другой вход подключен к блоку 19 формировани  напр жени  развертки, вход которого соединен . с механизмом 4. Кроме того, устройство дл  измерени  ЧКХ фотоприемника содержит формирователь 20 второй, гармоники и блок формировани  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 мировател ми 25 и 26 импульсов, выходы которых через схему И 27 подключены к формирователю 28 напр жени , соединенному с вторым входом перемножител  17. Первый вход фазового детектора 21 соединен с выходом модул тора 3, а второй вход - с фильтром 7 первой гармоники сигнала. Первый вход фазового детектора 22 соединен с выходом модул тора 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 распределени  чувствительности 5(X) по площади фотоприемника (О -.27 / п Т Y ЧТГ dX,a модуль ЧКХ одуль преобразовани  Фурье или заисимость нормированной амплитуды лектрического сигнала фотоприеммика т пространственной частоты воздейтвующего на фотоприемник одночастотого (в пространственной области) изучени  , в предлагаемом устройстве спользуетс  метод непосредственного змерени  ЧКХ. На площади фотоприем l ника формируетс  излучение с гармони ческим распределением интенсивности, измен етс  пространственна  частота излучени  и регистрируетс  величина сигнала с фотоприемника. Дл  повыше«и  точности измерений вводитс  моцул ци  положени  пространственной картины излучени  относительно площа ди фотоприемника, что дает возможность работать с переменными сигнала ми и получать напр жение, пропорциональное ЧКХ, т.е. мен ющеес  с изменением пространственной частоты излучени . Устройство работает следующим образом . При помощи источника 1 излучени  и интерферометра 2 на площади исследуемого Фотоприемника 5 формируетс  тестовое излучение в виде интерферен ционных полос. Модул тором 3 осуществл етс  модул хщл пространственной фазы интерференции, т.е. МОДУЛЯЦИЯ положени  полос относительно пло щадал фотоприемникаi При этом на выходе фототфиемника 5 возникает элект рический сигнал с широким спектром, содержащим все гармоники частоты модул ции 52 Усшщтелем 6 этот сигнал усиливаетс . Блоками 7-16, образуюощми двухканальный фop мpoвaтeль модул  .осзгществл етс  преобразование электрического сигнала с фотоприемника в электрический сигнал пропорцнональный модулю ЧКХ фотоприемника , защищенный от вли ни  вибрации и нерегул рных колебаний его величины при перестройке периода интерференционных полос в процессе измерений. Одновременно при помощи блоков 20-28, представл нвдих собой Схему формировани  .напр жени , пропорционального фазе ЧЮС, формируетс  (Посто нное напр жение пол рностью, свответствующей фазе ЧКХ. На перемножителе 17 формируетс  напр жение, пропорциональное точной ЧКХ с учетом фазы, мен ющеес  с изме нением периода интерференционных полос . Сформированное напр жение, пропорциональное ЧКХ, регистрируетс  на устройстве 18 отображени , в качестве которого может быть использован двухкоординатный самописец. Напр жение развертки устройства отображени  форниру етс  блоком 19 при помощи потенциометра (не показан), жестко св занного с осью механизма Л изме- 2 нени  и отсчета периода полос и задаюп{его напр жение, обратно пропорциональное периоду полос. При модул ции модул тором 3 с частотой SJ пространственной фазы интерференции на выходе фотоприемника 5 возникает электрический сигнал и(i) с широким спектром, содержапщм все гармоники частоты модул ции S5 .При малом индексе модул ции уц разложение Bi спектр напр жени  электрического сигнала принимает вид yW o C 9 4o- Sl-t4 - cosi gCosent + .-.kli), посто нна  составл юща ; индекс модул ции; Срд - фазовый угол интерференции, определ ющий начальное положение интерференционных полос на площади фотоприемНика , относительно которого производитс  модул ци ; Т - период интерференционных полос ; . Т1 частотно-контрастна  характеристика фотоприемника. При ороизвольном индексе модул ции m напр жение электрического сигнала также раскладьшаетс  в спектр гармоник частоты модул ции с более сложной зависимостью амплитуд от гп . Амшштуды гармоник пропорциональны 1с (4) и завис т от nj и рт начальной фазы cf, интерференционных полос относительно фотоприемника через функции sin Cf(, и costfj. Начальна  фаза {/ измен етс /при изменении величины периода полос в процессе измерений, а также в результате вибрационных колебаний элементов оптической схемы. Это приводит к нерегул рным колебани м амплитуд гармоник, что практически исключа1вт возможность измерени  ЧКХ. Чтобы получить напр жение, пропорциональное X (|), а также исключить вли ние вибрационных колебаний и других Яомех промышленного и теплового  роисхо щени , вводитс  обработка электрического сигнала с фотоприемника 5. При помощи фильтров 7 и 8 Я31й1рдкополрсного сигнала .U(i) выдел ютс  перва  и втора  гармонию , Усилител ми 9 и 10 с коэффициентами усилени  X, и Kg выраниваютс  их максимальные амплитуды k, квадраторами 11 и 12 формируютс  квадраты функций, детекторами 13 и 14 образуютс  напр жени , пропорциональные квадратам амплитуд гармоник, сумматором 15 они складываютс . При этом, поскольку суммируютс  )1апр жени , пропорциональные sin-Cf их сумма не зависит от „ , . ( .-АЧН4У-пЧ-обЧЬА (4 , I Ak,m k2На выходе сумматора 15 получаетс  напр жение, равное сумме квадратов амплитуд гармоник, не завис щее от q и пропорциональное )c(-:f.) . На выходе устройства извлечени  квадратного корн  16 получаетс  напр жение , пропорционапьное модулю частотно-контрастной характеристики | k -) 1 которое регистрируетс  устройством 18 отображени . Точна  ЧКХ К (-) получаетс  в результате -перемножени  перемножителем 17 медленно мен ющегос  напр жени , пропорционального IkC) , и посто нного напр жени , пол рность которого совпадает со знаком фазы t(f), создаваемого формирователем 28 напр жени . Схема 20-27, управл юща  пол рностью напр жени  формировател  28 напр жени , измен ет знак напр жеНИН + и на -U или - и на + U при одновременном изменении фазы колебаний обеих гармоник, обусловленном изме;не ием знака V(f). но сохран ет знак напр жени  при поочередном изменении фазы колебаний гармоник, вызванном изменением Cfjj. На выходе фазовых де текторов 21 и 22 образуетс  положительное или отрицательное напр жение в зависимости от того, совпадают ли фазы первой и второй гармоник сигнала с фотоприемника 5 с фазами опорны напр жений модул тора 3. Компараторы 23 и 24 формируют импульсы соответствующей пол рности при изменении фазы гармоник в момент перехода через нуль амплитуд гармоник. Формирователи 25 и 26 импульсов формируют импульсы управлени  логической схемой И 27, котора  переключает пол рность источника 28 напр жени  в момент изменени  фазы обеих гармоник, так как фазы колебаний первой и второй гармоник при изменении ( мен ютс  поочередно, а при изменении знака К() - одновременно, то и логическа  схема И 27 измен ет пол рность напр жени  источника 28 только при изменении знака К(). Измерение ЧКХ сводитс  к следующему . При помощи механизма 4 измен ют 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 формируетс  напр жение , пропорциональное ЧКХ К (),. Крива  ЧКХ регистрируетс  на устройстве 18 отображени .. Проведенна  на макете предлагаемого устройства опытна  проверка (измерение ЧКХ одной площади 60x60 мкм фоторезистора на основе CdHgTe) подтверждает возможность измерени  ЧКХ с необходимой дл  вычислени  преобразовани  Фурье точностью. В качестве тестового излучени  использовано Излучение газового лазера с длиной волны 10,6 мкм. Интерференционные полосы формируют интерферометром Майкельсона . Представленна  на фиг.2 ЧКХ указанного фоторезистора измерена при помощи макета предлагаемого устройства. В предлагаемом устройстве ЧКХ измер етс  непосредственно. Точность измерени  определ етс  степенью посто нства контраста интерференционных полос при различных периодах и точностью соответстви  напр жени  развертки отображающего устройства величине периода интерференционных полос . Величины всех перечисленных погрешностей измерени  определ ютс  техническим исполнением соответствующих устройств и составл ют 5-10%. Врем  на измерение ЧКХ одноэлементН0ГО фотоприемника, затрачиваемое одним оператором, составл ет 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. Дл  этого следует при измерени х суммировать сигналы с двух площадок, т.е. измер ть ЧКХ с j распределением чувствительности, показанным на фиг.З, и вычислить обратное преобразование Фурье от измеренной ЧКХ, Других способов измерений распределени  чувствительности П4 210 у фотоприемников с размерами площадок , сравнимыми с дифракдаонным пределом оптических систем в инфракрасном диапазоне ( 40 мкм дл  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

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНОЙХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЕМНИКОВ,содержащее интерферометр, соединейный с модулятором фазыинтерференции и механизмом изменения и отсчета периода полос, широкополосный усилитель, параллельно подключенные к его выходу каналы преобразования сигналавпервую и вторую гармоники частоты модуляции, каждый из которых содержит последовательно соединенные узкополосный фильтр, усилитель, формирователь квадрата амплитуды и детектор, а также сумматрр, входы которого соединены с выходами каналов преобразования сигналов, о т л й ч а го щ е е- с 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 гармоники и блок формирования сигнала о фазе, содержащий два параллельных канала, каждый из которых включает последовательно 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 выходом 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.

   4·* .А*.