 |
6.2. Методика, установка и результаты измерений спектральных характеристик кремниевых фотодиодов как ОЭИП фотометрических головок
|
|
|
|
Принцип действия измерительной установки основан на сравнении с помощью двойного монохроматора СХ приемников излучения с соответствующими «хранителями» характеристики. При определении относительных спектральных характеристик приемников излучения опорными (референтными) приемниками, неселективность которых в заданном диапазоне длин волн убедительно подтверждена, служат ИП тепловой группы типов ПП-1, ПП-7, РТН-12 (разработки ВНИИОФИ) или FT 16 (фирмы Hilger& Watt). В качестве осветителей в установке используется следующий набор источников излучения:
· лампа DDC-400 с блоком стабилизации в спектральном диапазоне 0, 2-0, 4 мкм;
· лампа ТРУ2350-2500 в спектральном диапазоне 0, 350-1, 8 мкм;
· лампа КГМ100 в спектральном диапазоне 0, 3-2, 5 мкм, когда необходимо повысить энергетический уровень потока на выходе монохроматора.
Установка работает в спектральном диапазоне 0, 2-2, 5 мкм.
Погрешности установки зависят от длины волны. В табл. 6. 2. они представлены в виде СКО и неисключенных систематических погрешностей (НСП). Оптическая схема установки представлена на рис. 6. 2.
Таблица 6. 2. Погрешности измерительной установки
| Воспроизводимая единица, характеристика | Длина волны, мкм | СКО, % | НСП, % |
|
Спектральная характеристика | 0, 2 | 0, 5 | |
| 0, 35 | 0, 4 | 0, 7 | |
| 0, 45 0, 55 | 0, 3 0, 1 | 0, 5 0, 3 | |
| 1, 0 | 0, 1 | 0, 3 | |
| 2, 5 | 0, 4 | 0, 7 |
Рис. 6. 2. Оптическая схема установки для измерения спектральной характеристики ИП потока оптического излучения: 1 — осветитель; 2, 3 — светосильный зеркальный конденсор; 4 — входная щель монохроматора; 5, 6 — плоские зеркала; 7-13 — вогнутые зеркала; 14 — выходная щель монохроматора
При определении OCX перед системой спектрометра устанавливается осветитель с лампой ТРУ, лента которой с увеличением 1, 8 изображается на входной щели двойного монохроматора СДЛ-1. Излучение от выходного объектива монохроматора направляется в сторону второй выходной щели, за которой должен быть установлен опорный приемник, СХ которого подлежит определению. При этом, если чувствительный элемент приемника имеет форму полоски, которая по своим размерам может заменить выходную щель, целесообразно, сняв выходную щель, поместить этот элемент на его место. Опорные приемники установки ставятся на место выходной щели монохроматора.
|
|
|
Первоначально эта установка задумывалась и была реализована для определения OCX исключительно эталонных ИП. Вместе с тем, потребности науки и техники в области фотометрии связаны с созданием прецизионной измерительной аппаратуры: люксметров, яркомеров и фотометров других назначений. Фотометрические головки этих приборов требуют высокоточной коррекции СХ под табулированные функции МКО. Процесс коррекции и оценка ее качества связаны с точностью измерения OCX корригируемых ИП, находящейся в большой зависимости от свойств диспергирующей системы (призменной, дифракционной или фильтровой) и осветителя компаратора. При этом выбор методики компарирования неразрывно связан с выбором вышеупомянутых узлов измерительной установки и, в первую очередь, осветителя. Исследования показали, что при использовании в осветителе галогенных ламп накаливания (миниатюрных источников, обеспечивающих высокие уровни потока излучения на выходе монохроматора), нельзя полагаться на долговременную стабильность осветителя и необходимо работать в режиме компарирования приемников на каждой длине волны. В этом случае СКО сравнения их СХ за несколько наблюдений (не менее трех при десяти отсчетах на каждой длине волны) не превысит (1—2) %. При использовании в осветителе ленточных ламп типа ТРУ2350-2500 достигается высокая долговременная стабильность спектрального распределения потока на выходе диспергирующей системы. Среднее квадратическое отклонение наблюдений за период более одного месяца с помощью фотодиода типа 1337 фирмы Хамаматсу не превышает 0, 2 %, что позволяет проводить измерения с опорой как на источник, так и на приемник. На основе последней методики были произведены измерения в определенном временном интервале СХ фотометров, корригированных под относительную световую эффективность. Разбросы в измерениях СХ не превышали 5 % в диапазонах длин волн 380-460 и 680-800 нм, 2 % в диапазоне 460-680 нм.
|
|
|
В результате определение OCX ИП эталонного или любого прецизионного фотометра с начала 90-х годов производится в соответствии с алгоритмом воспроизведения и передачи, отображенным структурной схемой рис. 6. 3. Ряд усовершенствований установки позволил абсолютизировать относительные измерения (т. е. измерять АСХ ИП) и повысить их точность, особенно в видимом диапазоне длин волн. В настоящее время отношение шкалы спектральной характеристики ВНИИОФИ к средней международной шкале, установленной в МБМВ, отличается от единицы не более чем на десятые доли процента.
Несомненный интерес представляют результаты сравнительных измерений спектральных характеристик ФД отечественных и зарубежных производителей.
Измерения СХ выполнялись на описанной выше установке в течение почти 10 лет (с 1991 по 2000 гг. ). У некоторых ФД определялась OCX, а абсолютное
значение 
измерялось на фиксированной длине волны в поддиапазоне, где оно достигает максимума. У остальных типов ФД производились измерения непосредственно абсолютной СХ.
На рис. 6. 4 представлены в относительных единицах СХ трех образцов отечественного кремниевого фотодиода ФД-24 К. На рис. 6. 5 изображены абсолютные СХ SiФД двух типов японской фирмы Хамаматсу. Исследования ФД типа SZU-1337 выполнялись в диапазоне длин волн 200-1100 нм, а ФД типа SZU-1227 — в диапазоне 350-800 нм. Обращает на себя внимание практически идеальная идентичность хода всех четырех кривых в диапазоне длин волн до ~ 650 нм и попарная идентичность для каждого из двух типов ФД — при λ > 650 нм. Это особенно интересно, поскольку результаты получены с интервалом в три года.
|
|
|
Относительная спектральная характеристика американского ФД типа UV-444, измеренная в диапазоне длин волн 320-1000 нм, представлена на рис. 6. 6. Абсолютное значение = 0, 592 А/Вт получено на длине волны 940 нм.
Рис. 6. 4. Относительные спектральные характеристики фотодиодов ФД-24К: 1 — К_пр. _абс =
= 0, 609 А/Вт при λ = 910 нм (1991 г. ); 2 —абс = 0, 503 А/Вт при λ = 870 нм (1992 г. );
3 — К_пр абс = 0, 574 А/Вт при λ = 920 нм (1995 г. )
Сильный разброс абсолютных СХ продемонстрировали результаты, полученные в 1999-2000 гг. на пяти экземплярах ФД типа ФД-288 производства завода «Кварц» (г. Черновцы). Все измерения выполнены в диапазоне длин волн 200-1100 нм (рис. 6. 7). Интересно совпадение значений всех пяти ФД при λ ~ (570)-(580) нм и резкое расхождение характеристик при увеличении длины волны.
Рис. 6. 5 Абсолютные спектральные характеристики фотодиодов Хамаматсу: 1, 2 — ФД SZU-1227 (λ = 350-850 нм, 1995 г. ); 3, 4 — ФД SZU-1337 (λ = 200-1100 нм, 1992 г. )
Рис. 6. 6. Относительная спектральная характеристика фотодиода типа UV-444 (1992 г. )
Разработкой и выпуском в обращение отечественных ФД занимается и физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, СПб. Метрологическим исследованиям подверглись в разное время 4 экземпляра ФД типа ФДУК (в 1990 г. —
2 шт. типа ФДУК, в 1992 Измерения СХ выполнялись на описанной выше установке в течение почти 10 лет (с 1991 по 2000 гг. ). У некоторых ФД определялась OCX, а абсолютное значение Кпр измерялось на фиксированной длине волны в поддиапазоне, где оно достигает максимума. У остальных типов ФД производились измерения непосредственно абсолютной СХ.
На рис. 6. 4 представлены в относительных единицах СХ трех образцов отечественного кремниевого фотодиода ФД-24 К. На рис. 6. 5 изображены абсолютные СХ SiФД двух типов японской фирмы Хамаматсу. Исследования ФД типа SZU-1337 выполнялись в диапазоне длин волн 200-1100 нм, а ФД типа SZU-1227 — в диапазоне 350-800 нм. Обращает на себя внимание практически идеальная идентичность хода всех четырех кривых в диапазоне длин волн до ~ 650 нм и попарная идентичность для каждого из двух типов ФД — при λ > 650 нм. Это особенно интересно, поскольку результаты получены с интервалом в три года.
|
|
|
Относительная спектральная характеристика американского ФД типа UV-444, измеренная в диапазоне длин волн 320-1000 нм, представлена на рис. 6. 6. Абсолютное значение Кпр = 0, 592 А/Вт получено на длине волны 940 нм.
Рис. 6. 3. Алгоритм определения относительной спектральной характеристики эталонных и прецизионных ФГ и фотометров
Рис. 6. 4. Относительные спектральные характеристики фотодиодов ФД-24 К: 1 — Кпр абс = 0, 609 А/Вт при λ = 910 нм (1991 г. ); 2 —................ абс = 0, 503 А/Вт при λ = 870 нм (1992 г. );
Рис. 6. 7. Абсолютные спектральные характеристики фотодиода типа ФД-288: 1, 2 — фотодиоды «Сапфир», Москва; 3 — фотодиод ТКА, СПб; 4, 5 — фотодиоды ГИПО, Казань
Рис. 6. 8. Абсолютные спектральные характеристики фотодиода типа ФДУК (1990-1999 гг. ): 1 — 1999 г. (λ = 320-1000 нм); 2 — 1999 г. (λ = 200-1100 нм); 3 — 1990 г. (λ = 320-1200 нм); 4 — 1990 г. (λ = 320-1200 нм)
Измерения фототока проводились цифровым вольтметром типа Щ300 на шкале 100 нА. Щели монохроматора изменялись соответственно выбираемым длинам волн: 1000-700 нм — щели 
; 700-600 нм — щели ; 600-500 нм — щели ; 500-400 нм — щели ; 400 нм — щели 2-3-2. Расчеты изменений СХ производились по формуле
,
где / — фототок при температуре, отличной от 20 °С; 
— фототок при температуре 20 °С.
При изменении температуры от 20 до 35 °С в диапазоне длин волн 400-900 нм наблюдалось уменьшение спектрального у всех типов отечественных SiФД в пределах от 5 до 10% его значений при 20 °С. При снижении температуры от 20 до 15 °С отечественные ФД демонстрировали увеличение спектрального от 1 до 5 %. У зарубежных SiФД изменения спектрального не наблюдалось в пределах погрешности измерений. На «хвостах» OCX (т. е. в ближних УФ и ИК диапазонах спектра, непосредственно примыкающих к видимой области) ее температурная зависимость носит более сложный характер. Однако при наличии светофильтра с хорошей режекцией это не имеет существенного значения.
|
|
|
