ГОСТ Р 59606-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Оптика и фотоника. Устройства фотоприемные второго и последующих поколений. Методы измерений фотоэлектрических параметров и определения характеристик

4.13 Метод определения распределения чувствительности по фоточувствительной площадке фоточувствительного элемента, расчета эффективной фоточувствительной площади фоточувствительного элемента и коэффициента фотоэлектрической связи

4.13.1 Сущность метода

4.13.1.1 Метод применяют для определения распределения чувствительности по фоточувствительной площадке ФЧЭ ФПУ при соизмеримом размере пятна рассеяния оптического зонда и фоточувствительной площадки, а также для определения эффективной фоточувствительной площади ФЧЭ ФПУ и коэффициента ФЭС. Данный метод применяют при известных значениях ФРТ оптического зонда.

4.13.1.2 Метод может быть использован для контроля ФП и ФПУ первого поколения.

4.13.1.3 За распределение чувствительности по фоточувствительной площадке ФЧЭ ФПУ принимается зависимость чувствительности (сигнала с ФЧЭ) от координаты на поверхности ФЧЭ. Распределение чувствительности по фоточувствительной площадке ФЧЭ ФПУ должно быть нормировано таким образом, чтобы максимальное значение было равно единице.

4.13.1.4 За среднее значение эффективной фоточувствительной площади ФЧЭ ФПУ допускается принимать значение эффективной фоточувствительной площади одиночного ФЧЭ, тестового элемента или среднее значение по нескольким элементам.

4.13.1.5 За коэффициент ФЭС принимается значение интеграла, вычисляемого по формуле (96).

4.13.1.6 Пятно рассеяния оптического зонда (здесь и далее) - это изображение диафрагмы через оптическую систему оптического зонда, т.е. свертка функции рассеяния точки объектива и изображения диафрагмы.

4.13.1.7 Под максимальным значением ОСШ при проведении измерений понимается значение ОСШ, достигаемое при максимальном совпадении пятна рассеяния и фоточувствительной площадки, т.е. при максимальном значении сигнала или фотоотклика.

4.13.1.8 Под центральным срезом ФЧЭ понимается кривая, получаемая в результате сечения двумерного распределения чувствительности по ФЧЭ плоскостью, проходящей через координату с максимальным значением чувствительности (максимальным значением сигнала или фотоотклика).

4.13.2 Средства измерений и вспомогательное оборудование

4.13.2.1 Требования к СИ и вспомогательному оборудованию - по 4.1.2.1 - 4.1.2.3 и 4.1.2.5 с учетом дополнений, приведенных в данном пункте.

4.13.2.2 В качестве источников излучения рекомендуется использовать светодиоды и лазерные диоды, глобары, высокотемпературные АЧТ.

4.13.2.3 Рекомендуется измерения ФПУ с холодной диафрагмой средневолнового и длинноволнового ИК диапазонов проводить в криостатах, обеспечивающих максимально возможное значение плоского угла зрения измеряемого ФПУ. Недопустимо перекрытие апертуры оптического зонда элементами криостата.

4.13.2.4 Размер ФРТ оптического зонда с учетом входного окна криостата по уровню концентрации энергии 80% (допускается использовать расчетное значение) не должен превышать ожидаемого размера фотоэлектрической площадки или шага ФЧЭ ФПУ.

4.13.2.5 Распределение энергии в пятне рассеяния оптического зонда, используемого при проведении измерений, должно быть известно со следующими погрешностями:

- не более 2,5% - для концентрации энергии 0% - 80%;

- не более 10% - для концентрации энергии более 80%.

Метод измерения пятна рассеяния приведен в приложении В.

Примечание - В случае асимметрии пятна рассеяния при обработке результатов измерений необходимо корректно соотнести ориентацию и координаты пятна рассеяния с координатами измеряемого ФПУ в соответствии с расположением пятна при проведении измерений.

 

4.13.2.6 Входное окно ФПУ не должно оказывать влияние на пятно рассеяния оптического зонда. Значение местной ошибки оптического окна не должно превышать 0,15 длин волн середины спектрального диапазона чувствительности ФПУ, а общая ошибка (N) не превышать две длины волны, если иное не указано в ТУ, РЭ, ФО на измеряемое изделие или установку или в ином документе, регламентирующем порядок проведения измерений. Допускается проводить измерения распределения энергии в пятне рассеяния оптического зонда вместе со входным окном криостата, в этом случае требования по N и не предъявляются.

4.13.2.7 Коэффициент экранирования оптического зонда (рекомендованное) не должен превышать 0,4 при максимальном ОСШ от 250 до 1000 и не должен превышать 0,8 при ОСШ более 1000.

4.13.2.8 Размер изображения диафрагмы (расчетный) в плоскости ФЧЭ ФПУ должен удовлетворять следующему соотношению:

 

, (86)

 

где - середина спектрального диапазона чувствительности ФПУ;

- числовая апертура оптического зонда в пространстве изображений;

k_ОСШ - коэффициент, зависящий от максимального ОСШ при проведении измерений. Коэффициент не должен превышать 1 при максимальном значении ОСШ, находящемся в диапазоне 250 - 2500, и не должен превышать 2, если максимальное значение ОСШ при измерении более 2500.

4.13.2.9 Конструкция координатного столика должна обеспечивать перемещение ФПУ относительно источника оптического излучения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Перемещение ФПУ должно осуществляться плавно, без рывков и вибраций.

Перемещение координатного столика относительно пятна оптического зонда должно измеряться при помощи индикаторных микрометров или специализированной измерительной системы, встроенной в координатный стол. При этом рекомендуемая погрешность измерений положения координатного стола не должна превышать 10% от . Допускается применение координатных столов с системами измерения, откалиброванными метрологическими службами юридических лиц, аккредитованными на право проведения калибровочных работ в соответствии с действующим законодательством.

Допускается применять системы автоматической регистрации данных (ПК со специализированным ПО, самописцы и т.д.) и устройства автоматического перемещения координатного столика. При этом скорость перемещения следует выбирать таким образом, чтобы инерционность измерительной цепи не влияла на форму зависимости сигнала от перемещения.

4.13.3 Подготовка к измерениям

4.13.3.1 Измерение следует проводить на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 9.

 

 

1 - источник излучения; 2 - конденсор;

3 - заслонка/модулятор; 4 - диафрагма; 5 - оптический зонд;

6 - испытуемый образец; 7 - координатный столик; 8 - БЭО;

9 - ПК; 10 - специализированное ПО

 

Рисунок 9

 

Рекомендуется совмещение диафрагмы 4 и оптического зонда 5 в единой конструкции без возможности перемещения элементов между собой.

4.13.4 Проведение измерений

4.13.4.1 Климатические условия проведения измерений - по 4.1.4.1.

4.13.4.2 Выполняют действия по 4.1.4.2, 4.1.4.3.

4.13.4.3 Источник излучения настраивают на заданный режим.

4.13.4.4 Проводят предварительную фокусировку пятна рассеяния и наведение пятна в центр измеряемого ФЧЭ. Контроль совмещения проводят по сигналу с ФЧЭ: при совмещении пятна рассеяния с ФЧЭ фотоотклик с ФЧЭ будет максимальным.

4.13.4.5 Проводят настройку параметров работы ФПУ для получения максимального значения ОСШ. Фотоотклик при работе ФПУ должен находиться на линейном участке энергетической характеристики, если иное не указано в ТУ, РЭ, ФО на измеряемое изделие или в другом документе, регламентирующем порядок проведения измерений.

4.13.4.6 Проводят последовательное сканирование пятном рассеяния поверхности ФЧЭ согласно схеме, приведенной на рисунке 10. Шаг сканирования должен удовлетворять условию

 

. (87)

 

Зона сканирования должна быть расположена симметрично относительно максимального сигнала и ее размер должен удовлетворять соотношению

 

l_скан <= 5·l_0,1, (88)

 

где l_скан - размер зоны сканирования;

l_0,1 - размер центрального среза ФЧЭ, соответствующий уровню сигнала 0,1 +/- 0,05 от максимального сигнала.

Шаг сканирования в обоих направлениях должен быть одинаковым.

 

 

Рисунок 10 - Схема сканирования ФЧЭ ФПУ

 

4.13.4.7 В каждой точке сканирования проводят измерение сигнала согласно 4.2, при этом 4.2.4.3, 4.2.4.4 выполняют при закрытой заслонке, а 4.2.4.5, 4.2.4.6 - при открытой. В каждой точке сканирования сохраняют данные о ее фактических координатах, получаемых с индикаторных микрометров или встроенных в координатный стол системы измерений. В результате измерения должен получиться массив сигналов, в котором хранится информация о сигнале в каждой точке и ее фактическом местоположении.

4.13.4.8 Для определения плоскости, в которой центральный срез ФЧЭ имеет минимальный размер, следует провести измерения по 4.13.4.6, 4.13.4.7 для плоскостей 1 настраивают на 4 (рисунок 11) вблизи фокуса оптической системы, отстоящих друг от друга на расстоянии 5 - 20 мкм.

 

 

Рисунок 11 - Схема образования плоскостей фокусировки

 

4.13.5 Обработка результатов

4.13.5.1 Из получившихся массивов сигналов с ФЧЭ выбрать массив, в котором центральный срез ФЧЭ по уровню сигнала 0,1 от максимального сигнала имеет минимальный размер. Если выбранный массив соответствует крайней из плоскостей и имеется тенденция к уменьшению размера среза от плоскости к плоскости, то необходимо повторить измерения по 4.13.4.8 до получения минимального размера вне крайней плоскости.

4.13.5.2 В случае неравномерности шага сканирования, превышающем 5%, задают новую координатную сетку с равномерным шагом. Проводят пересчет сигнала на новую координатную сетку с помощью линейной или бикубической интерполяции и формируют массив Conv_i,j. Выполняют над данными двумерное преобразование Фурье, в результате чего получают массив , который приводят к единице (нормируют).

4.13.5.3 Аналогичную координатную сетку накладывают на распределение энергии в пятне рассеяния оптического зонда и формируют массив распределения энергии в точках координатной сетки PSF_i,j, метод интерполяции в случае несовпадения сеток - бикубическая интерполяция. Выполняют над данными двумерное преобразование Фурье, в результате чего получают массив , который приводят к единице (нормируют).

4.13.5.4 При использовании алгоритмов быстрого преобразования Фурье проводят разворот четвертей массивов и для корректной работы последующих алгоритмов.

4.13.5.5 Для всех элементов i,j вычисляют массив

 

. (89)

 

4.13.5.6 В массиве приравнивают к нулю все элементы, для которых выполняется хотя бы одно из следующих условий:

 

, (90)

 

, (91)

 

где ОСШ_max - максимальное значение ОСШ, полученное при проведении измерений.

4.13.5.7 Выбросы и провалы в массиве допускается заменить средним значением по четырем соседним элементам при сохранении фазовой составляющей. Под выбросом понимается значение элемента массива i,j, для которого выполняется условие

 

. (92)

 

Под провалом понимается элемент массива i,j, для которого выполняется условие

 

. (93)

 

4.13.5.8 Выполняют обратное преобразование Фурье над массивом , в результате чего получить массив SF_i,j. Шаг координатной сетки массива принимают равным шагу координатной сетке по 4.13.4.6, при наличии в массиве комплексных чисел берут от них модуль и проводят нормирование массива к единице.

4.13.5.9 При использовании алгоритмов быстрого преобразования Фурье проводят разворот четвертей массива SF_i,j для корректной работы последующих алгоритмов.

4.13.5.10 В массиве SF_i,j приравнивают к нулю все элементы, для которых выполняется условие

 

SF_i,j < 0,02. (94)

 

4.13.5.11 Методом бикубической интерполяции на основе массива строят функцию SF(x,y).

4.13.5.12 Вычисляют эффективную фотоэлектрическую площадь ФЧЭ ФПУ A_эфф по формуле

 

, (95)

 

где A - площадь области сканирования.

4.13.5.13 Вычисляют коэффициент ФЭС k_ФЭС по формуле

 

, (96)

 

где SF(x,y) - распределение чувствительности по фоточувствительной площадке ФЧЭ ФПУ;

a - шаг ФЧЭ ФПУ;

A - площадь интегрирования.

4.13.5.14 Погрешности расчета эффективной фоточувствительной площадки ФЧЭ ФПУ и коэффициента ФЭС в зависимости от условий проведения измерений приведены в приложении Г.

4.13.5.15 Погрешность определения распределения чувствительности по фоточувствительной площадке ФЧЭ ФПУ, эффективной фоточувствительной площади ФЧЭ ФПУ и коэффициента ФЭС не должна выходить за пределы интервала +/- 20% с заданной вероятностью P = 0,95.