РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ФУНКЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
RECORDING DEVICE USED WHEN MEASURING RADIATION ENERGY CONCENTRATION FUNCTION

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к оценке качества изображения оптических систем.
Известно регистрирующее устройство, состоящее из фотоприемника, сменного микрообъектива и расположенной между ними (в плоскости изображения микрообъектива) точечной диафрагмы, используемое для измерения функции рассеяния точки (ФРТ) оптической системы методом сканирования точечной диафрагмой увеличенного с помощью микрообъектива изображения точечного источника (пятна рассеяния) с последующим вычислением функции концентрации энергии (ФКЭ) излучения. При этом диаметр сканирующей диафрагмы должен быть в 40-50 раз меньше увеличенного изображения исследуемого пятна рассеяния (Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987. - Гл.6, с.235). Однако это регистрирующее устройство невозможно использовать при измерении ФРТ в средневолновом (3-5 мкм) и длинноволновом (8-14 мкм) ИК-подддиапазонах спектра из-за дифракционных ограничений, существенно снижающих точность измерений.
Наиболее близким техническим решением является регистрирующее устройство, используемое в методе измерения ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы с помощью набора сменных диафрагм (Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987. - Гл.6, с.233). Оно представляет собой (см. фиг.1) расположенные в плоскости изображения оптической системы 1 сменные измерительные диафрагмы 2 разного диаметра и фотоприемник 3, характеристики которого позволяют зарегистрировать потоки излучения, прошедшие через наименьшую диафрагму, соответствующую начальному участку графика ФКЭ, и наибольшую, обеспечивающую регистрацию всей энергии излучения, сосредоточенной в пятне рассеяния. Плоскость изображения, например, в видимой области спектра находят визуально по наилучшей резкости пятна рассеяния, а затем уточняют ее положение по максимальному значению фотосигнала при установке наименьшей измерительной диафрагмы, перемещая объектив контролируемой оптической системы вдоль оптической оси (продольная наводка). Поперечную наводку также осуществляют по максимальному значению фотосигнала. Значения ФКЭ-излучения определяют как отношение фотосигнала при прохождении потока излучения через измерительную диафрагму данного размера к фотосигналу при прохождении потока излучения через наибольшую диафрагму.
А
Существенным недостатком этого регистрирующего устройства является то, что использование его в средневолновом и особенно в длинноволновом ИК-поддиапазонах спектра приводит к большой погрешности измерения ФКЭ-излучения вследствие значительного влияния дифракции на измерительной диафрагме на распределение излучения за ней. Это влияние проявляется в том, что угол расходимости при вершине конуса, в пределах которого распространяется излучение за измерительной диафрагмой, существенно превышает удвоенный апертурный угол φ оптической системы 1 в пространстве изображений (см. фиг.1) и может составлять при определенных условиях сто и более градусов.
Это приводит к серьезным трудностям при регистрации всего излучения, прошедшего через измерительную диафрагму, в силу конструктивных и технологических ограничений известных фотоприемников, не позволяющих совместить (или максимально приблизить) их фоточувствительную поверхность с измерительной диафрагмой, а также существенно увеличить фоточувствительную площадь приемника при удовлетворительной однородности чувствительности. Попытку же использовать совместно с фотоприемником дополнительную оптическую систему, призванную решить проблему регистрации всего излучения, прошедшего через измерительную диафрагму, реализовать чрезвычайно сложно из-за того, что ее апертурный угол в пространстве предметов должен превышать половину угла расходимости при вершине конуса лучей.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения ФКЭ-излучения в средневолновом и длинноволновом ИК-поддиапазонах спектра.
Указанный технический результат достигается тем, что в регистрирующем устройстве, используемом при измерении ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы, содержащем сменные измерительные диафрагмы разного диаметра, расположенные в плоскости изображения, и фотоприемник, характеристики которого позволяют зарегистрировать потоки излучения, прошедшие через наименьшую диафрагму, соответствующую начальному участку графика ФКЭ, и наибольшую диафрагму, обеспечивающую регистрацию всей энергии излучения, сосредоточенной в пятне рассеяния, фотоприемник выполнен в виде многоэлементного фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения (ФЭПП), на фоточувствительную поверхность элементов которого нанесена непрозрачная маска с круглыми отверстиями разного диаметра, выполняющими роль измерительных диафрагм, причем маска каждого элемента содержит одно отверстие наибольшего диаметра и группу одинаковых отверстий малого диаметра, расположенных на расстоянии, исключающем попадание пятна рассеяния в соседние отверстия, и элементы отличаются значением диаметра малых отверстий в масках.
В частном случае зазоры между отверстиями в маске каждого элемента составляют не менее 100 мкм, а диаметр наибольшего отверстия не менее 200 мкм.
В частном случае зазоры между отверстиями в маске и границами фоточувствительной площадки приемника излучения составляют не менее трех диффузионных длин избыточных носителей заряда.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое регистрирующее устройство отличается от известного тем, что фотоприемник выполнен в виде многоэлементного ФЭПП, на фоточувствительную поверхность элементов которого нанесена непрозрачная маска с круглыми отверстиями разного диаметра, выполняющими роль измерительных диафрагм, причем маска каждого элемента содержит одно отверстие наибольшего диаметра и группу одинаковых отверстий малого диаметра, расположенных на расстоянии, исключающем попадание изображения точечного источника в соседние отверстия, и элементы отличаются значением диаметра малых отверстий в масках.
В частном случае расстояния между отверстиями в маске каждого элемента составляют не менее 100 мкм, а диаметр наибольшего отверстия не менее 200 мкм.
В частном случае зазоры между отверстиями в маске и границами фоточувствительной площадки приемника излучения составляют не менее трех диффузионных длин избыточных носителей заряда.
Таким образом, заявляемое регистрирующее устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В связи с тем, что в средневолновом и особенно в длинноволновом ИК-поддиапазонах спектра велико влияние дифракции на измерительной диафрагме малого диаметра на распределение излучения за ней, возникают серьезные трудности при регистрации всего потока излучения, приводящие к большой погрешности измерения ФКЭ. Для повышения точности измерения фотоприемник выполнен в виде многоэлементного ФЭПП, на фоточувствительную поверхность элементов которого нанесена непрозрачная маска с круглыми отверстиями разного диаметра, выполняющими роль измерительных диафрагм.
Оригинальность такого решения состоит в том, что совмещение измерительной диафрагмы с фоточувствительной поверхностью элемента ФЭПП позволяет зарегистрировать все излучение, распространяющееся после измерительной диафрагмы (в том числе и дифракционную составляющую), и тем самым существенно повысить точность измерения ФКЭ.
Расположение в пределах каждого элемента ФЭПП, наряду с одинаковыми диафрагмами малого диаметра диафрагмы наибольшего размера, позволяющей зарегистрировать всю энергию излучения, сосредоточенную в пятне рассеяния оптической системы, исключает влияние неоднородности чувствительности между элементами на результаты измерений и тем самым повышает точность измерения ФКЭ. При этом зазоры между соседними диафрагмами должны быть такими, чтобы исключить попадание пятна рассеяния в соседние диафрагмы. Величина зазоров, а также диаметра наибольшего отверстия определяется размером пятна рассеяния оптической системы. В частном случае зазоры между отверстиями в маске каждого элемента составляют не менее 100 мкм, а диаметр наибольшего отверстия не менее 200 мкм. Это с запасом обеспечивает выполнение условий об исключении попадания пятна рассеяния в соседние диафрагмы и регистрации всей энергии излучения, сосредоточенной в пятне рассеяния, при прохождении излучения через наибольшую диафрагму, поскольку диаметр пятна рассеяния оптических систем современных приборов «смотрящего» типа, работающих в средневолновом и длинноволновом ИК-поддиапазонах спектра, не превышает 100 мкм.
Важным фактором, облегчающим процесс поперечной наводки в ИК-области спектра и, следовательно, повышающим достоверность и точность измерения ФКЭ, является формирование в маске каждого элемента нескольких малых диафрагм одинакового диаметра. Кроме того, усреднение фотосигнала по нескольким одинаковым диафрагмам малого диаметра, расположенным в пределах маски каждого элемента, снижает влияние неоднородности чувствительности по элементу, за счет чего также возрастает точность измерения ФКЭ.
Этому же способствует расположение измерительных диафрагм на достаточной удаленности от краев фоточувствительных элементов, позволяющее исключить влияние на распределение концентрации избыточных основных при монополярной фотогенерации или неосновных при биполярной фотогенерации носителей заряда более интенсивной рекомбинации на контактах и боковой поверхности. Это влияние будет сказываться на расстояниях порядка нескольких диффузионных длин (Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергия, 1976. - с.226, 320).
В частном случае зазоры между отверстиями в маске и границами фоточувствительной площадки приемника излучения составляют не менее трех диффузионных длин избыточных носителей заряда.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема прохождения излучения через измерительную диафрагму согласно прототипу с учетом и без учета дифракции (пунктиром изображено положение элемента ФЭПП согласно изобретению).
На фиг.2 изображена структурная схема стенда измерения функции концентрации энергии излучения в пятне рассеяния.
На фиг.3 изображен вариант топологии измерительных отверстий согласно изобретению.
На фиг.4 представлены расчетный и экспериментальные графики ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы согласно примеру и прототипу.
Предлагаемое регистрирующее устройство представляет собой многоэлементный ФЭПП, на фоточувствительную поверхность элементов которого нанесена непрозрачная маска с круглыми отверстиями разных диаметров. Маска каждого элемента содержит одно отверстие большого диаметра, позволяющее зарегистрировать всю энергию излучения, сосредоточенную в пятне рассеяния, и группу одинаковых отверстий малого диаметра.
Предлагаемое регистрирующее устройство 4 (см. фиг.2) работает в составе стенда измерения ФКЭ-излучения в пятне рассеяния следующим образом. Его размещают на оптической скамье 5 соосно с точечным источником излучения 6, модулятором 7 и контролируемой оптической системой 1 таким образом, чтобы фоточувствительная поверхность элементов ФЭПП с нанесенной на нее маской находилась на расстоянии рабочего отрезка от объектива оптической системы (указывается в паспорте), т.е. примерно в плоскости изображения. Ориентацию регистрирующего устройства в пространстве осуществляют по ключу или базовой поверхности его корпуса. Температурный режим регистрирующего устройства контролируют с помощью блока контроля температуры 8. Электрическое питание источника излучения и регистрирующего устройства осуществляют с использованием источников питания 9 и 10 соответственно.
После обеспечения рабочих температурного и электрического режимов регистрирующего устройства на входное окно его корпуса подают модулированное излучение таким образом, чтобы пятно рассеяния оптической системы попало в измерительную диафрагму наименьшего диаметра. Напряжение фотосигнала на выходе соответствующего канала ФЭПП усиливают с использованием узкополосного усилителя 11 с резонансной частотой, равной частоте модуляции потока излучения, и измеряют микровольтметром 12. Напряжение питания узкополосного усилителя подают от источника питания 13. С помощью микрометрического перемещения регистрирующего устройства по фотосигналу проводят предварительную поперечную наводку, т.е. максимально возможное совмещение пятна рассеяния с наименьшей измерительной диафрагмой. Далее с помощью микрометрического перемещения вдоль оптической оси по максимуму фотосигнала проводят продольную наводку, т.е. фоточувствительную поверхность элемента ФЭПП точно совмещают с плоскостью изображения оптической системы. После этого проводят окончательную поперечную наводку по максимуму фотосигнала и измеряют значение его напряжения. Аналогичные действия проводят для остальных измерительных диафрагм малого размера данного элемента и вычисляют среднее значение напряжения фотосигнала. Затем с помощью микрометрического перемещения совмещают пятно рассеяния с центральной зоной измерительной диафрагмы наибольшего размера и измеряют соответствующее значение напряжения фотосигнала. Далее рассчитывают значение ФКЭ-излучения как отношение усредненного значения напряжения фотосигнала для измерительных диафрагм наименьшего диаметра к значению напряжения фотосигнала для диафрагмы наибольшего диаметра.
Аналогичные действия проводят для остальных элементов ФЭПП, отличающихся диаметром малых диафрагм, и по полученным данным строят график ФКЭ-излучения.
Технологические и конструктивные возможности на современном этапе позволяют реализовать предлагаемое регистрирующее устройство с помощью многоэлементного ФЭПП, обладающего достаточной чувствительностью в средневолновом и длинноволновом ИК-поддиапазонах, удовлетворительными размерами фоточувствительной площадки элементов, а также достаточным динамическим диапазоном энергетической характеристики.
Пример.
2
x
1-x
Предлагаемое регистрирующее устройство выполнено в виде охлаждаемого ФЭПП, представляющего собой линейку из 5 элементов с фоточувствительной площадкой размером 500×500 мкм. Элементы представляют собой фоторезисторы, изготовленные на основе многослойных структур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs по технологии, описанной в статье (Куликов В.Б., Аветисян Г.Х. и др. Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып.2, с.218). При х=0,24 и охлаждении до температуры 60К спектральная характеристика фоточувствительности элементов позволяет зарегистрировать излучение в длинноволновом ИК-поддиапазоне спектра (7,0-10,5 мкм).
+
На верхний контактный слой n-GaAs, через который излучение падает на фоточувствительную площадку элемента, после вытравливания меза-структуры и формирования омических контактов через маску из фоторезиста напылен слой 14 индия толщиной ~ 1 мкм (см. фиг.3). В слое индия с использованием фотолитографии и химического травления сформированы измерительные диафрагмы 15 аналогичных с прототипом диаметров: 10, 20, 30, 40, 50 мкм (группами по 5 одинаковых диафрагм) и 200 мкм (по одной диафрагме на каждом элементе). Зазоры между соседними диафрагмами составляют не менее 100 мкм, что с запасом обеспечивает выполнение условия об исключении попадания пятна рассеяния в соседние диафрагмы. Измерительные диафрагмы удалены от краев фоточувствительных элементов не менее чем на 70 мкм, что позволяет исключить влияние боковой поверхности и контактов на результаты измерений ФКЭ-излучения.
Регистрирующее устройство используют в составе стенда измерения ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы (фиг.2). При этом поток излучения точечного источника модулируют с частотой 1200 Гц, а эквивалентная шумовая полоса пропускания узкополосного усилителя составляет 200 Гц. Узкополосный усилитель представляет собой преобразователь «ток-напряжение», сочлененный с полосовым фильтром. Точечный источник включает в себя глобар с температурой 1400К и диафрагму диаметром 20 мкм. Оптическая система представляет собой зеркальный проекционный объектив, рабочий отрезок которого составляет 40 мм, а относительное отверстие равно 1:1,6. Напряжение фотосигнала на выходе усилителя измеряли микровольтметром В3-57.
max
На фиг.4 представлены экспериментальные и расчетный графики ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы. График ФКЭ согласно прототипу (штрихпунктирная линия) получен с использованием оптико-акустического приемника ОАП-7-1, турели с измерительными диафрагмами и узкополосного светофильтра 8,84-8,96 мкм (по уровню 0,1) и длиной волны, соответствующей максимальному значению коэффициента пропускания светофильтра, λ=8,88 мкм. График ФКЭ согласно примеру (штриховая линия) получен с использованием этого же узкополосного светофильтра. Кружочками и крестиками соответственно отмечены экспериментальные значения ФКЭ излучения.
Расчетный график ФКЭ (сплошная линия) построен в предположении, что оптическая система близка к дифракционно ограниченной. В нашем примере это обеспечивается конструкцией зеркального объектива.
При этом допущении распределение освещенности Е(х′,у′) в пятне рассеяния оптической системы, с использованием которого получают ФКЭ-излучения, достаточно строго описывается выражением (Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. - М.: Машиностроение, 1990. - Гл.2, с.128, 138; Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузачев В.И. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1992. - Гл.15, с.247)
где β - коэффициент увеличения оптической системы (в нашем случае β=1),
- нормированная функция распределения яркости в плоскости излучающей диафрагмы радиуса r,
- некогерентная ФРТ оптической системы (D - диаметр входного зрачка оптической системы, f′ - ее фокусное расстояние).
Из приведенных экспериментальных кривых видно, что использование предлагаемого регистрирующего устройства обеспечивает более близкие к теоретическим значения ФКЭ по сравнению с прототипом, то есть более высокую точность измерения ФКЭ-излучения в пятне рассеяния оптической системы в средневолновом и особенно в длинноволновом ИК-поддиапазонах спектра.