CC BY
75
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАЗИТНОЙ ФОНОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА В МАТРИЧНЫХ ИК-ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Геннадий Иванович Косолапов
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, ведущий инженер отдела моделирования оптико-электронных систем, тел.(383) 330-91-11, email: [email protected]
Петр Порфирьевич Добровольский
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел.(383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Сергей Михайлович Чурилов
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, заведующий отделом тепловидения и телевидения, тел.(383) 3309749
Константин Павлович Шатунов
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, заведующий сектором отдела тепловидения и телевидения, тел. (383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Владимир Викторинович Быков
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, Пр-т Ак. Лаврентьева, 2/1, инженер-конструктор отдела тепловидения и телевидения, тел.(383) 3309749, e-mail: [email protected]
Павел Алексеевич Алдохин
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел.(383) 330-97-49, email: [email protected]
Приведены экспериментальные данные об уровне собственной паразитной фоновой составляющей сигнала инфракрасного излучения (ИК) вызванной элементами криостата и входной оптики матричного фотоприемного устройства (МФПУ).
Ключевые слова: тепловизор, криостат, фоновый сигнал.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE PARASITIC BACKGROUND COMPONENT OF THE SIGNAL IN INFRARED FOCAL PLANE ARRAYS
Gennady I. Kosolapov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, leading engineer, department of modeling of optiko-electronic systems, tel.(383) 3309749, e-mail: [email protected]
Peters P. Dobrovolsky
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, candidate of physical and mathematical sciences, leading research assistant, department of thermal imaging and television tel. (383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Sergey M. Churilov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, manager of department of thermal imaging and television tel.(383) 330-97-49
Konstantin P. Shatunov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, managing sector, department of thermal imaging and television tel.(383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Bykov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, design engineer, department of thermal imaging and television tel.(383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Pavel A. Aldokhin
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, younger research assistant, department of thermal imaging and television tel.(383) 330-97-49, e-mail: [email protected]
Experimental data about level of own parasitic background component of infrared radiation signal caused by elements of cryostat and entrance optics of infrared thermal imaging device are presented.
Key words: thermal image device, cryostat, background signal
Тепловизоры (ТВП) на основе охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) находят широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из актуальных задач является расширение возможностей ТПВ, а именно разработка и создание ТПВ, работающих в активно-импульсном режиме [1]. В связи с этим встает задача определения влияния собственной паразитной фоновой компоненты облученности составных частей приемного тракта ТПВ.
Главным узлом охлаждаемых ТПВ является МФПУ на основе эпитаксиальных слоев твердого раствора кадмий - ртуть - теллур (КРТ) для инфракрасного диапазона (ИК), расположенное внутри криостата и работающее в режиме накопления. Оно преобразует тепловое изображение, сформированное входным объективом в плоскости МФПУ в электрический видеосигнал. При этом накапливаемые от фоточувствительных элементов (ФЧЭ) токи включают в
себя темновые токи и фототоки, которые состоят из двух компонент. Первая -сигнальная, падающая на МФПУ из объектива, вторая - фоновая, состоящая также из двух частей. Одна попадает на МФПУ из объектива, другая (паразитная) - из областей, находящихся вне его [2]. Паразитная компонента фоновой облученности (исходящая из областей, расположенных вне выходного зрачка оптической системы) является бесполезной и лишь ухудшает параметры приемника, так как ее воздействие эквивалентно повышению темнового тока фоточувствительных элементов (ФЧЭ) МФПУ [3].
Для исследования влияния и оценки уровня собственной паразитной компоненты фоновой составляющей криостата и проекционного объектива (являющегося составной частью входного объектива) ТПВ были проведены два эксперимента. В качестве экспериментального образца ТПВ был выбран макетный образец ТПВ, на основе охлаждаемого МФПУ со следующими основными характеристиками:
- Рабочий спектральный диапазон, АХ, мкм 7,7..10,3;
- Размерность матрицы 320x256;
- Шаг матрицы, мкм 30;
Время накопления, мкс 30;
Температурное разрешение, АТ, °К ~ 0,05.
Структурная схема измерительной установки, показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема измерительной установки: 1 - зеркало; 2 -проекционный объектив; 3 - выходное окно криостата ТПВ; 4 - ТПВ; 5
компьютер
Суть экспериментов заключалась в следующем: перед входным окном криостата ТПВ устанавливался «тест - объекты» в виде зеркала и проекционного объектива (выходной зрачок проекционного объектива совмещен с входным окном криостата) и снимались значения сигналов. Первый эксперимент заключался в следующем: перед входным окном криостата устанавливалось зеркало без проекционного объектива и проводилось три измерения уровня сигнала для разных температур зеркала и криостата ТПВ. Значения уровней сигналов и условия проведения измерений приведены в таблице.
Второй эксперимент заключался в следующем: перед входным окном криостата устанавливался проекционный объектив, перед которым, в плоскость
промежуточного изображения устанавливалось зеркало и проводилось три измерения уровня сигнала для разных температур зеркала, проекционного объектива и криостата ТПВ, точно так же, как в первом эксперименте, результаты измерений заносились в таблицу.
Таблица
№ экспери -мента № изме рени я Объект на входе Значение сигнала Средне е значени е
А В С
1 1. «Теплый» криостат, «теплое» зеркало (при комнатной температуре (+22°С)). 3047 3044 3049 3046
2. «Холодный» криостат (при температуре окружающей среды (-21°С)), «теплое» зеркало (при комнатной температуре (+22°С)). 1528 1527 1497 1517
3. «Холодный» криостат (при температуре окружающей среды (-21°С)), «холодное» зеркало (при температуре окружающей среды (-21°С)). 1382 1290 1257 1309
2 4. «Теплый» криостат, «теплый» проекционный объектив и зеркало (при комнатной температуре (+22°С)). 5245 5334 5250 5276
5. «Холодный» криостат (при температуре окружающей среды (-21°С)), «теплый» проекционный объектив и зеркало (при комнатной температуре (+22°С)). 4149 4096 4057 4100
6. «Холодный» криостат (при температуре окружающей среды (-21°С)), «холодный» проекционный объектив и зеркало (при температуре окружающей среды (-21°С)). 2189 2210 2234 2211
1 2 3 4 5 6
Номе]) измерения
Рис. 2. Диаграмма уровней сигналов для различных комбинаций температур криостата, проекционного объектива и зеркала
На основании проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
- Оценены уровни паразитных сигналов фоновой составляющей для криостата и проекционного объектива;
- Уровни сигналов при различных температурах изменяются пропорционально четвертой степени абсолютной температуры корпусов криостата и проекционного объектива;
- Требуется оптимизация конструкции криостата и проекционного объектива за счет введения отражающих и поглощающих экранов уменьшающих попадание излучения от корпусных деталей криостата и проекционного объектива на МФПУ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Марчишин И.В., Алдохин П.А., Косолапов Г.И.., Чурилов С.М., Шатунов К.П. О возможности работы матричного CdxHg1_xTe приемника в режиме многоимпульсного накопления сигнала, синхронизированного с лазерным излучением [текст] / Марчишин И.В. и д.р. // Сб. материалов Междунар. конгресса «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 5. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 31-35.
2. Патрашин А.И. Инфракрасное фотоприемное устройство с оптимальной диафрагмой [текст] / Патрашин А.И. // Прикладная физика. - 2011. - № 4. - С. 65-70.
3. Патрашин А.И. Теоретическое исследование фоновых облученностей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов [текст] / Патрашин А.И. // Прикладная физика. -2011. - № 3. - С. 98-106.
© Г.И. Косолапов, П.П. Добровольский, С.М. Чурилов, К.П. Шатунов, В.В. Быков, П.А. Алдохин, 2012
