Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 535.651

Кострин Д. К., ассистент Ухов А. А., канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)»

Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучаюших диодов

Ключевые слова: колориметрические измерения, светоизлучающий диод, спектрометр, фотоприемник. Keywords: colorimetric measurements, light-emitting diode, spectrometer, photo sensor.

Рассмотрены вопросы улучшения метрологических характеристик спектрометрического комплекса, предназначенного для анализа параметров светоизлучающих диодов. Обоснована необходимость и показана реализация термоста-тирования фотоприемника спектрометра. Рассмотрены причины возникновения и возможности устранения интерференции в фотоприемнике с зарядовой связью. Продемонстрировано влияние программной фильтрации получаемых спектров излучения на воспроизводимость результатов вычисления колориметрических параметров све-тодиодов.

Введение

Технология производства светоизлучающих диодов (СИД) сделала существенный шаг вперед за последнее десятилетие. В настоящее время СИД широко используются в устройствах, обеспечивающих свет одного цвета: светофорах, аварийных огнях, декоративной подсветке. В системах освещения белые СИД постепенно вытесняют источники оптического излучения за счет долговечности, надежности и низкого энергопотребления. Расширение областей применения СИД приводит к значительному увеличению важности измерения их параметров, особенно цветовых характеристик, определяющих восприятие излучения СИД человеческим глазом [1]. Таким образом, весьма актуальной является задача разработки аппаратуры, позволяющей производить анализ параметров СИД с высокой точностью и воспроизводимостью как на этапе их производства, так и при их применении в различных устройствах.

Разработка аппаратно-программного спектрометрического комплекса

Среди спектрометрических приборов для исследования СИД и других источников оптического излучения наиболее востребованными являются относительно недорогие портативные устройства, построенные с применением фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС). Для анализа параметров СИД достаточно оптического разрешения 1,0—1,5 нм, при этом желателен широкий оптический диапазон, обычно от 200 до 1100 нм, в основном определяемый спектральной характеристикой современных ФПЗС [2]. На рынке широко представлены приборы с указанными характеристиками, предлагаемые разными зарубежными фирмами, в частности Avantes и Ocean Optics, в ассортименте которых есть линейки приборов с возможностью выбора их параметров.

Существенным недостатком приборов данного класса является невысокая воспроизводимость результатов измерений во времени, связанная с отсутствием стабилизации температуры фотоприемника, а также минимальный набор программного обеспечения (ПО), не позволяющий проводить цифровую обработку получаемых спектров излучения в режиме реального времени. Указанные недостатки отсутствуют у специализированных спектральных приборов, однако они стоят дороже как минимум на порядок. Таким образом, при разработке спектрометрического комплекса необходимо создать систему термостатирования ФПЗС и ПО для цифровой обработки полученных спектральных данных.

Если в качестве оптической схемы спектрометра выбрать схему с постоянной линейной дисперсией (линейной зависимостью углового положения спектральной линии от длины волны), можно сохранить высокое оптическое разрешение во всем диапазо-

Рис. 1 Конструкция оптического блока спектрометра

не длин волн [3]. Оптическая схема спектрометра представляет собой полихроматор с применением вогнутой дифракционной решетки и ФПЗС (рис. 1).

Система должна учитывать темновой ток в ФПЗС. Для этого необходимо получить темновой фрагмент за тот же период и при такой же температуре, как и при съемке объекта. Как известно, темновой ток значительно меняется при изменении температуры, а значит, нужно стабилизировать температуру ФПЗС. Охлаждение ФПЗС нецелесообразно, так как оно приводит к дополнительному нагреву элементов оптической схемы и повышенному энергопотреблению системы из-за работы охлаждающих элементов. Значительное охлаждение способно привести к появлению конденсата, что не только ухудшит оптические свойства ФПЗС, но и может привести к выходу электроники спектрометра из строя. Достаточно поддерживать температуру ФПЗС на уровне, близком к температуре окружающей среды.

Когда температура снижается на 6-9 °С [2], тем-новой ток уменьшается вдвое, а значит, можно записать:

ТПд — т,х

т~о

= 1-2

Т0-Т!

а

<5

ш,

(1)

где m0, m1 — количество темновых электронов в ФПЗС при температуре окружающей среды Т0 и температуре охлаждения Т1; температурный коэффициент темнового тока а = 6...9 С; 8 — точность поддержания числа m темновых электронов. Преобразовав выражение (1), получим

■ раб

■ А Т а1<^2(1-5т)

<

- раб

- раб

где 8 — точность, с какой должна поддерживаться температура для обеспечения получения числа темновых электронов с заданной точностью; Траб — рабочая температура кристалла; ДТ — максимально возможное отклонение температуры от номинального режима.

Рис. 2 Устройство фиксации и охлаждения ФПЗС

Для получения качественного сигнала, точность поддержания температуры ФПЗС должна быть на достаточно высоком уровне. Если принять а = 7 С, 8п1 = 5 %, то при Траб = 20 °С точность поддержания температуры должна быть не хуже ±0,5 °С. С целью охлаждения ФПЗС и жесткой фиксации положения фотоприемника в оптической схеме было разработано многослойное устройство (рис. 2).

За медным основанием располагается ФПЗС, к задней поверхности которого примыкает термовы-равнивающая пластина, охлаждаемая с помощью двух элементов Пельтье. Обратная сторона холодильников Пельтье выведена на медное основание. Устройство также обеспечивает жесткую фиксацию положения ФПЗС в оптической схеме прибора. Справа на рис. 2 виден упоминавшийся ранее оптический затвор, позволяющий получать значения темнового сигнала прибора.

Выбор ФПЗС в качестве основы для построения спектрометра обусловлен не только его высокой чувствительностью, но и линейностью его светосигнальной характеристики во всем диапазоне длин волн [4]. ФПЗС практически не имеет порога детектирования: оптическое излучение, обладающее слабой интенсивностью, все равно будет создавать электроны в ячейках секции накопления, хотя и в небольшом количестве.

Самыми популярными и наиболее дешевыми являются ФПЗС, выполненные по классической технологии, в них оптическое излучение вводится с лицевой стороны кристалла кремния. Внутренняя структура одного из вариантов ФПЗС представлена на рис. 3. Для защиты структуры прибора от внешних воздействий при производстве на поверхность фотоприемника наносится пассивирующее покрытие в виде тонкой пленки SiO2. Пассивирующее покрытие оптически прозрачно и имеет достаточно малую толщину для предотвращения заметного ослабления сигнала.

При регистрации немонохроматических оптических сигналов пассивирующая пленка не оказывает

№ 3(27)/2013 |

биотехносфера

Рис. 3

Структура классического ФПЗС:

1 — 1 мкм n-Si; 2 — поли-Si; 3 — междуфазный оксид; 4 — пассивирующая пленка; 5 — 80 нм SiN; 6 — 80 нм SiO2; 7 — p-Si; 8 — p+-Si

влияния на получаемый спектр, однако при использовании ФПЗС в спектрометрах каждый пиксель облучается практически монохромным излучением, что приводит к возникновению интерференции в результате многократных переотражений на границе раздела двух сред с разными показателями преломления [5]. В каждом отдельном пикселе интерференция варьирует, поскольку она зависит от длины волны излучения, попадающего на данный пиксель, а последняя непрерывно меняется по всей длине ФПЗС.

Интерференция влияет на распределение амплитуды сигнала по длине фотоприемника, и регистрируемый сигнал значительно искажается. Расположение максимумов и минимумов осцилляции сигнала будет зависеть от толщины и показателя преломления пассивирующей пленки на поверхности ФПЗС, а также от регистрируемого спектрального диапазона. Условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов можно описать следующими выражениями:

nd = k X /2;

max ' '

nd = (k + 0,5; X . /2,

(2)

где п — показатель преломления; й — толщина пассивирующей пленки; к — порядок интерференции; Хтах, ^тт — длины волны, на которых регистрируются максимум и минимум интерференции соответственно.

Убрать пассивирующую пленку невозможно, поскольку без нее ФПЗС перестанет нормально функционировать. Увеличение толщины пленки в фотоприемнике по сравнению с исходной толщиной приведет к большему количеству экстремумов и полностью их нивелирует, если толщина пленки будет такова, что расстояние между экстремумами станет меньше спектрального разрешения прибора.

Очевидно, что после изготовления фотоприемника изменение толщины уже сформированной пленки невозможно. Допустимо только добавление пленки на поверхность ФПЗС, чтобы суммарная толщина двух пленок имела требуемую величину. Для отсутствия дополнительной внутренней интерференции у совокупности пленок показатель преломления материала дополнительной пленки должен быть равен либо максимально близок к показателю преломления пассивирующей пленки.

Интерференция нивелируется при расстоянии между экстремумами (X - X . ) меньше, чем спек-

г- j \ max mm7 7

тральное разрешение прибора, можно найти значение порядка интерференции, при котором интерференция будет нивелирована:

k = X /(2AX),

(3)

где ХИК — инфракрасная граница чувствительности фотоприемника; АХ — спектральное разрешение прибора.

Из выражений (2), (3) можно получить формулу для расчета толщины дополнительной пленки:

d = X2 /(4nAX).

(4)

Принимая во внимание, что инфракрасная граница для кремниевых фотоприемников составляет 1100 нм, а спектральное разрешение спектрофотометра с одним ФПЗС обычно порядка 1 нм, с помощью выражения (4) можно вычислить значение минимальной толщины дополнительной пленки й = 200 мкм. Уменьшение указанной толщины приведет к недостаточному устранению интерференции. Значительное увеличение толщины пленки сверх минимально необходимой станет причиной дополнительных потерь энергии и, как следствие, снижения чувствительности спектрометра.

90 т.........г.........г.........г.........г.........г.........г.........г

Q 1 1 ■ r-y I I I ' | ' ' ' '_| ' ' ' ' ¡_' ' ' ' | ' ' ' ' | ' ' ' ' | '_' ' |

400 425 450 475 500 525 550 575 600

Длина волны, нм

Рис. 4\ Спектры излучения белого СИД

После удаления защитного стекла на поверхность ФПЗС был нанесен оптически прозрачный компаунд с показателем преломления, близким к аналогичному показателю диоксида кремния. Применение корректирующей пленки практически не повлияло на чувствительность фотоприемника во всем наблюдаемом диапазоне, а также не оказало вредного воздействия на разрешающую способность спектрометра. На рис. 4 приведены спектры излучения белого СИД до (1) и после (2) модификации ФПЗС.

Необработанный сигнал ФПЗС имеет некоторый уровень шума, который составляют несколько компонентов:

• «Геометрический» шум, обусловленный топологией фотоприемника. Для упрощения вывода сигнала в данном типе ПЗС используются транспортные регистры по обе стороны фотоприемника. Таким образом, четные и нечетные пиксели имеют несколько различные параметры. В приборе на 1 нм спектрального диапазона приходится примерно 5 пикселей, и возможно усреднение между четными и нечетными пикселями без потери разрешения.

• Собственный шум ФПЗС. Для его снижения можно произвести усреднение по нескольким снятым спектрам, провести дополнительную фильтрацию полученного сигнала сплайновым цифро-

Таблица у Влияние фильтрации шумов на результаты колориметрических измерений

Добавляемый фильтр Значение х Значение у Среднеквадратичное отклонение d

минимальное x . mm максимальное x max среднее x ср минимальное y mm максимальное y max среднее y ср

Без фильтрации 0,69846 0,69923 0,69882 0,29634 0,29704 0,29663 0,00026

Удаление геометрического шума 0,69849 0,69937 0,69894 0,29618 0,29696 0,29666 0,00025

Усреднение по 10 измерениям 0,69952 0,69994 0,69973 0,29665 0,29681 0,29673 0,00013

Отсечка порогового значения 0,70533 0,70558 0,70545 0,29434 0,29458 0,29446 0,00007

Сплайн фильтрация 0,70540 0,70552 0,70549 0,29440 0,29452 0,29443 0,00003

№ 3(27)/2013 I

биотехносфера

вым фильтром. Данный фильтр хорошо работает на спектрах без узкополосных линий, например на спектрах светодиодов. При измерении параметров светодиодов можно дополнительно убрать влияние фонового сигнала вблизи уровня нуля на колориметрические измерения, приводящее к разбеливанию цвета [6].

В таблице приведены максимальные, минимальные и средние значения цветовых координат х и у, а также среднеквадратичное отклонение определения координат 5 для красного СИД (выборка — 100 измерений) по мере добавления цифровых фильтров. Очевидно, что применение разработанной методики фильтрации шумов позволяет повысить воспроизводимость цветовых измерений СИД в 8 раз.

Заключение

Применение термостатирования ФПЗС, модификация поверхности фотоприемника и система программной фильтрации шумов позволяют получить спектрометрический комплекс, по метрологическим характеристикам не уступающий (а по некоторым параметрам и значительно превосходящий) аналогичным импортным приборам и стоящий в 1,5-2,0 раза дешевле.

Решения, предложенные в данной работе, были использованы при разработке спектрометрических комплексов, переданных на несколько предприятий отечественной электронной промышленности, в частности ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», Ин-

ститут проблем машиноведения РАН и ОАО «НИИ точного машиностроения». Рассмотренные в данной работе спектрометрические комплексы используются в учебном процессе на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках подготовки магистров по программе «Электронные приборы и устройства».

| Литература

1. Schanda J., Muray K., Kranicz B. LED colorimetry // Proceedings of SPIE. 2001. Vol. 4421. P. 781-784.

2. Барченко В. Т., Быстров Ю. А., Колгин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. СПб.: Энергоатомиздат, 2001. 332 с.

3. Колгин Е. А., Ухов А. А., Савушкин А. В. Спектрометры на основе полихроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. C. 120-126.

4. Кострин Д. К. Исследование линейности светосигнальной характеристики ПЗС фотоприемника // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 86-91.

5. Кострин Д. К., Ухов А. А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы. 2013. № 5. С. 13-15.

6. Юдин Р. В., Кострин Д. К., Шишов Д. И. и др. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 3. С. 8-13.