Устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения (варианты)

 

Изобретение относится к измерениям таких параметров, как интегральная чувствительность, пороговая облученность, их неоднородности по полю измеряемого многоэлементного приемника излучения, и позволяет повысить точность измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения при одновременном снижении стоимости устройства, его габаритов, а также повышении корректности измерений параметров ИК приемников. Для достижения указанного технического результата устройство может быть выполнено в двух вариантах. В первом варианте устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения содержаит источник излучения, соосный с расположенным в непрозрачном корпусе посадочным местом измеряемого приемника излучения и снабженным заслонкой окном корпуса, а также блок регистрации и обработки сигналов, источник имеет плоскую излучающую поверхность, а радиус входного окна корпуса вычисляется из определенного соотношения. Во втором варианте устройство наряду с указанными признаками содержит оптическую систему, выполненную в виде прозрачной пластины с по крайней мере одной, расположенной в центре непрозрачной областью правильной формы. При этом целесообразно размещение оптической системы в окне корпуса. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерения параметров и определения характеристик многоэлементных фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, в частности к устройствам измерения таких параметров, как интегральная чувствительность, пороговая облученность, а также их неоднородности по полю измеряемого приемника излучения.

Известно устройство для определения фотоэлектрических параметров приемников излучения, содержащее точечный источник излучения, оптическую систему, например коллиматор, приемник излучения, размещенный в корпусе с входным окном, блок измерения и обработки сигналов (см. Измерение параметров приемников оптического излучения. Под ред. Л.Н. Курбатова и Н.В. Васильченко, М., "Радио и связь", 1983, с. 71, 77, 266). Однако для измерения параметров многоэлементных приемников в таком устройстве необходимо применять сложную и дорогую оптическую систему для выравнивания интенсивности по сечению пучка излучения с целью обеспечения равномерной однородной засветки центральных и периферийных фоточувствительных элементов.

Известно выбранное за прототип для двух вариантов устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения, содержащее источник излучения, оптическую систему, измеряемый приемник излучения, расположенный в непрозрачном корпусе с входным окном, снабженном заслонкой, и блок регистрации и обработки сигнала (см. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. ГК СССР по стандартам, М., Издательство стандартов, 1988, с. 14). Однако такое устройство дает невысокую точность измерения из-за неоднородной освещенности многоэлементных приемников или требует применения дорогостоящей оптической системы.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является повышение точности измерений фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения при одновременном снижении стоимости устройства.

В первом варианте указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения, содержащем источник излучения, соосный с расположенным в непрозрачном корпусе посадочным местом измеряемого приемника излучения и снабженным заслонкой окном корпуса, а также блок регистрации и обработки сигналов, источник имеет плоскую излучающую поверхность, а радиус окна корпуса определяется следующим соотношением: где r₁ - половина диагонали посадочного места измеряемого приемника излучения, L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника, l - расстояние от окна корпуса до посадочного места измеряемого приемника, R - радиус окружности излучающей поверхности источника, r - радиус окна корпуса.

Во втором варианте указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения, содержащем источник излучения, соосный с расположенным в непрозрачном корпусе посадочным местом измеряемого приемника излучения, оптической системой и снабженным заслонкой окном корпуса, а также блок регистрации и обработки сигналов, оптическая система выполнена в виде прозрачной пластины с по крайней мере одной, расположенной в центре, непрозрачной областью правильной формы, источник имеет плоскую излучающую поверхность, а радиус окна корпуса определяется следующим соотношением: где
r₁ - радиус посадочного места измеряемого приемника излучения,
L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника,
l - расстояние от окна корпуса до посадочного места измеряемого приемника,
R - радиус окружности излучающей поверхности источника,
r - радиус окна корпуса.

Целесообразно при выполнении второго варианта предложенного устройства размещение оптической системы в окне корпуса.

Частным случаем выполнения обоих вариантов предложенного устройства является его применение для измерений параметров многоэлементных приемников ИК диапазона, при котором корпус устройства снабжен системой охлаждения и размещен в теплоизолирующем кожухе с установленным внутри него источником излучения.

Другим частным случаем выполнения обоих вариантов предложенного устройства является его применение для измерений параметров многоэлементных приемников ИК диапазона, при котором корпус снабжен системой охлаждения и размещен в теплоизолирующем кожухе с окном, соосным с источником, окном корпуса и посадочным местом измеряемого приемника, а радиус окна кожуха определяется следующим соотношением:

где
r₁ - половина диагонали посадочного места измеряемого приемника излучения,
L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника,
L₁ - расстояние от окна корпуса до посадочного места измеряемого приемника,
R - радиус окружности излучающей поверхности источника,
R₁ - радиус окна кожуха.

При этом конструктивно удобно размещение источника излучения в окне кожуха.

В случаях применения предложенного устройства для измерений параметров приемников излучения ИК диапазона необходимо обеспечить охлаждение оптической системы, для чего целесообразно устанавливать ее в окне корпуса устройства.

В изложенных вариантах устройства вместо точечного источника предложено использование источника излучения с плоской излучающей поверхностью, что позволяет в первом варианте не применять в устройстве оптическую систему, а во втором варианте применить простую и дешевую оптическую систему. При этом в первом варианте неравномерность облученности по полю приемника компенсируется в блоке регистрации и обработки сигналов путем корректировки результатов измерений по полученной математическим расчетом зависимости. Эта корректировка, рассчитанная до явной зависимости, точна, так как между источником и приемником излучения отсутствуют какие-либо оптические элементы. Во втором варианте оптическая система обеспечивает выравнивание облученности путем перераспределения полного потока излучения, прошедшего через симметрично размещенные прозрачные участки пластины. Приведенное соотношение размеров источника излучения, окна корпуса и посадочного места приемника излучения таковы, что обеспечивают попадание на приемник только излучения от источника, избавляя приемник от попадания на него паразитных излучений.

При измерении параметров ИК приемников в первом случае размещение источника излучения в теплоизолирующем кожухе позволяет минимизировать размеры излучающей площадки источника излучения, а также устранить конвективный теплообмен с окружающей средой, что в результате улучшает однородность температуры по площади источника излучения и снижает стоимость устройства, во втором случае размер окна теплоизолирующего кожуха таков, что обеспечивается попадание на приемник только излучения от источника, избавляя приемник от попадания на него паразитных излучений от теплых частей кожуха. При измерении параметров ИК приемников также достигается дополнительное преимущество - обеспечивается корректность измерений за счет малого прироста температуры источника излучения относительно температуры фонового излучения, близкой к 300 К.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема первого варианта предложенного устройства, где
1 - источник излучения;
2 - корпус;
3 - окно корпуса;
4 - заслонка окна корпуса;
5 - посадочное место с измеряемым приемником излучения;
6 - блок регистрации и обработки сигналов.

На фиг. 2 представлена схема второго варианта предложенного устройства, где
7 - оптическая система.

На фиг. 3 а, б изображены 2 вида оптической системы, где
8 - непрозрачные для излучения участки;
9 - прозрачные для излучения участки.

На фиг. 4 приведена схема первого частного случая устройства для измерений в ИК диапазоне, где
10 - система охлаждения;
11 - теплоизолирующий кожух.

На фиг. 5 приведена схема второго частного случая устройства для измерений в ИК диапазоне, где
12 - окно кожуха.

Первый вариант устройства для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения содержит источник излучения 1, корпус 2 с окном 3, снабженным заслонкой 4, и посадочным местом 5, на котором установлен измеряемый приемник, и блок регистрации и обработки сигналов 6.

Устройство работает следующим образом. В корпус 2 напротив входного окна 3 на посадочное место 5 помещают приемник излучения и закрывают заслонку 4. Первоначально проводят измерение темнового сигнала приемника 5. Для этого в рабочий режим включают сам приемник излучения, блок регистрации и обработки сигнала 6 и проводят иногократные измерения выходного сигнала от каждого элемента приемника излучения с последующим стандартным расчетом средней величины темнового сигнала и его шума по каждому элементу приемника излучения, а также среднего значения темнового сигнала и его разброса по площади приемника. Затем открывают заслонку 4, облучают приемник заранее откалиброванным источником излучения 1, при этом на приемник попадает излучение только от источника 1, так как размер окна 3 корпуса 2 таков, что отсекает любое другое паразитное излучение. После этого аналогичным образом проводят многократные измерения выходного сигнала от каждого элемента, запоминание их и расчет с последующим определением чувствительности приемника излучения и других его параметров, например однородности чувствительности по площади и пороговой облученности. При этом автоматически в блоке 6 учитывается неоднородность облученности центральных и периферийных фоточувствительных элементов приемника, обусловленная пространственным распределением облученности от излучающей поверхности источника.

Во втором варианте предложенного устройства между источником излучения 1 и посадочным местом 5 (приемником) расположена оптическая система 7. Оптическая система представляет собой, например, плоскопараллельную пластину, прозрачную во всей спектральной области фоточувствительности, с по крайней мере одной, расположенной в центре, непрозрачной областью 8 правильной формы. Так, в простейшем случае ее конфигурация такова, что прозрачная для излучения область 9 представляет собой кольцо, соосное с центром приемника и излучателем, имеющее заданные размеры, зависящие от величины фоточувствительного поля, неоднородности облученности по полю, расстояния до приемника и его апертурного угла. В других случаях конфигурация области 9 такова, что она представляет собой ряд концентрических колец заданного размера. Кроме этого, область 9 может быть задана симметричной относительно оптической оси фигурой (фигурами, см. фиг. 3 а, б) любой формы с размерами, определяющимися величиной фоточувствительного поля приемника 5, расстоянием от приемника до оптической системы 7 и самой формой используемой фигуры. При этом однородность может быть доведена практически до любой заданной величины.

Во втором варианте работа устройства аналогична первому варианту, кроме того, что при прохождении лучей через оптическую систему происходит выравнивание облученности, что не требует дополнительной математической обработки при расчете чувствительности приемника и других его параметров.

Таким образом, предложенные варианты устройства для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения гораздо дешевле известных за счет применения новой оптической схемы и в первом варианте отсутствия дорогостоящей оптической системы, а во втором варианте использования очень простой оптической системы. Повышение точности измерения происходит за счет устранения попадающих на фоточувствительные элементы паразитных излучений путем указанного соотношения размеров источника излучения, входного окна и измеряемого приемника излучения.

Частным случаем предложенных вариантов является устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников ИК излучения, в котором корпус 2 снабжен системой охлаждения 10 и расположен в теплоизолирующем кожухе 11 с установленным внутри него источником излучения 1, а при использовании оптической системы 7 она устанавливается в окне корпуса 2 для обеспечения ее охлаждения (см. фиг. 4).

Другим частным случаем предложенных вариантов является устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников ИК излучения, в котором корпус 2 снабжен системой охлаждения 10, расположен в теплоизолирующем кожухе 11 с окном 12 (см. фиг. 5). Этим достигаются необходимые для приемника излучения и корпуса 2 рабочие температуры. Размер окна кожуха обеспечивает прохождение на приемник лишь излучения от источника 1. При конструктивной проработке устройства необходимо для охлаждения установить оптическую систему 7 в окне 3 корпуса 2, а источник излучения 1 удобно разместить в окне 12 кожуха 11. При этом температура корпуса 2 может превышать температуру приемника, установленного на посадочном месте 5.

Примером конкретного выполнения может быть устройство для измерения фотоэлектрических параметров ИК фотоприемных матриц (ФПМ) на основе силицида платины. Устройство на базе замкнутой криогенной системы охлаждения типа CTI-cryogenics содержит охлаждаемый корпус (холодный экран с окном, расположенный в криостате), температура которого не превышает 200 K, закрепленную в окне корпуса кольцевую диафрагму (оптическая система), охлаждаемое до 77 K посадочное место радиусом 6,0 мм, расположенное на холодном пальце криостата (соответствует размеру фоточувствительной области ФПМ до 12 мм по диагонали), теплоизолирующий кожух (корпус вакуумного криостата). Оптическая система простейшего типа с кольцевой прозрачной областью имеет внутренний радиус прозрачной области 9,83 мм и внешний радиус 11,43 мм. Расстояние от оптической системы до приемника излучения 15 мм. В качестве источника излучения в устройстве используется плоский тепловой излучатель, расположенный внутри сплошного кожуха (корпуса криостата). Размер излучающей поверхности 50х70 мм (радиус вписанной окружности 50 мм). Расстояние от излучающей поверхности до посадочного места 25 мм. При указанных размерах обеспечивается выполнение заявленного соотношения. Однородность температуры по площади излучателя не хуже 0,5^oC, диапазон температур излучателя, требуемый для измерения параметров ФПМ, от 300 K до 350 K. Поэтому изменение спектра излучения при переходе от низшей температуры к высшей небольшое, а это означает, что измерения будут более корректными, чем в прототипе, где максимальная температура излучателя достигает 600 K. При этом обеспечивается однородность облученности по полю размером 12х12 мм² не хуже 1,5%, а точность измерения ≈ 4%, что в 3 раза лучше, чем в прототипе. При этом стоимость устройства уменьшается за счет использования более дешевой оптической системы, а параметры фотоприемника измеряются при заданном уровне фоновой облученности.

Предложенное устройство позволит создавать малогабаритные, недорогие и более точные системы контроля параметров многоэлементных приемников, а в случае ИК применений и более корректные.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения, содержащее источник излучения, соосный с расположением в непрозрачном корпусе посадочным местом измеряемого приемника излучения и снабженным заслонкой окном корпуса, а также блок регистрации и обработки сигналов, отличающееся тем, что источник имеет плоскую излучающую поверхность, а радиус окна корпуса определяется следующим соотношением:

где r₁ - половина диагонали посадочного места измеряемого приемника излучения;
L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника;
l - расстояние от окна корпуса до посадочного места измеряемого приемника;
R - радиус окружности излучающей поверхности источника;
r - радиус окна корпуса.

2. Устройство для измерения фотоэлектрических параметров многоэлементных приемников излучения, содержащее источник излучения, соосный с расположенным в непрозрачном корпусе посадочным местом измеряемого приемника излучения, оптической системой и снабженным заслонкой окном корпуса, а также блок регистрации и обработки сигналов, отличающееся тем, что оптическая система выполнена в виде прозрачной пластины с по крайней мере одной, расположенной в центре, непрозрачной областью правильной формы, источник имеет плоскую излучающую поверхность, а радиус окна корпуса определяется следующим соотношением:

где r₁ - половина диагонали посадочного места измеряемого приемника излучения;
L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника;
l - расстояние от окна корпуса до посадочного места измеряемого приемника;
R - радиус окружности излучающей поверхности источника;
r - радиус окна корпуса.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптическая система размещена в окне корпуса.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что корпус снабжен системой охлаждения и расположен в теплоизолирующем кожухе с установленным внутри него источником излучения.

5. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что корпус снабжен системой охлаждения и размещен в теплоизолирующем кожухе с окном, соосным с источником, окном корпуса и посадочным местом измеряемого приемника, а радиус окна кожуха определяется следующим соотношением:

где r₁ - половина диагонали посадочного места измеряемого приемника излучения;
L - расстояние от источника излучения до посадочного места измеряемого приемника;
L₁ - расстояние от окна кожуха до посадочного места измеряемого приемника;
R - радиус окружности излучающей поверхности источника;
R₁ - радиус окна кожуха.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что источник излучения установлен в окне кожуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 24.09.2007

Извещение опубликовано: 10.04.2009        БИ: 10/2009

---