CC BY
93
УДК 535.317; 621.283.4/5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАЗИТНОЙ ФОНОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА В ОХЛАЖДАЕМЫХ МАТРИЧНЫХ ИК-ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Петр Порфирьевич Добровольский
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383)330-97-49, e-mail: porfir@ngs.ru
Геннадий Иванович Косолапое
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, ведущий инженер отдела моделирования оптико-электронных систем, тел. (383)330-91-11, e-mail: gen_kos@ngs.ru
Константин Павлович Шатунов
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, заведующий сектором отдела тепловидения и телевидения, тел. (383)330-97-49, e-mail: sconst@ngs.ru
Павел Алексеевич Алдохин
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383)330-97-49, e-mail: aldosha@ngs.ru
Приведены результаты экспериментальных исследований паразитного фонового инфракрасного излучения в криостатах матричных фотоприемников с помощью тепловизионных приборов.
Ключевые слова: тепловизор, криостат, фоновый сигнал.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE PARASITIC
BACKGROUND COMPONENT OF THE SIGNAL
IN THE COOLED INFRARED PHOTODETECTORS ARRAYS
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») 630090, Russia, Novosibirsk, 8, Nikolaev Str., candidate of physical and mathematical sciences, leading research assistant, department of thermal imaging and television, tel. (383)330-97-49, e-mail: porfir@ngs.ru
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») 630090, Russia, Novosibirsk, 8, Nikolaev Str., leading engineer, department of modeling of optiko-electronic systems, tel. (383)330-97-49, e-mail: gen_kos@ngs.ru
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») 630090, Russia, Novosibirsk, 8, Nikolaev Str., managing sector, department of thermal imaging and television, tel. (383) 330-97-49, e-mail: sconst@ngs.ru
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») 630090, Russia, Novosibirsk, 8, Nikolaev Str., younger research assistant, department of thermal imaging and television, tel. (383) 330-97-49, e-mail: aldosha@ngs.ru
The results of the experimental researcher of the parasitic background infrared radiation in cryostats of the matrix photodetector are given in the paper. The experimental researches were performed using thermal imaging devices.
Key word: thermal image device, cryostat, background signal.
Тепловизионные приборы (ТВП) на основе охлаждаемых матричных фотоприемников (МФП) находят широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из актуальных задач является расширение возможностей ТВП [1]. Одним из распространенных классов ТВП, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне, являются приборы, в которых используются охлаждаемые приемники излучения на основе эпитаксиальных слоев твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ). Матрица расположена в криостате, в котором обеспечивается необходимый низкотемпературный режим. Она преобразует тепловой поток, состоящий из теплового изображения, сформированного объективом, и паразитного фонового потока, идущего из областей, находящихся вне объектива [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 МФП [3].
Для улучшения характеристик матричного фотоприемного устройства возникает необходимость уменьшения паразитного фонового излучения от элементов конструкции внутри криостата. С целью выяснения этой возможности был проведен ряд экспериментов, в которых регистрировалось тепловое изображение с помощью дополнительных ТВП с охлаждаемым и не охлаждаемым приемниками ИК-диапазона.
Экспериментальные работы выполнялись на трех криостатах с двумя регистрирующими ТВП. Перед входным окном исследуемого криостата устанавливался регистрирующий ТВП, с короткофокусным объективом, расстояние между которым (входным окном криостата и регистрирующего ТВП) составляло несколько сантиметров, что обеспечивало минимум ИК внешней подсветки. Полученный сигнал с исследуемого криостата записывался на цифровой видеомагнитофон в процессе охлаждения
исследуемого МФП от начала до выхода на рабочий режим. Полученное изображение с ТВП копировалось на персональный компьютер для дальнейшей обработки и анализа. В качестве экспериментальных образцов были использованы МФП в трех криостатах: два - в криостатах № 1 и № 2, изготовленных в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ», и в криостате № 3, изготовленном на одном из российских предприятий. Для наблюдения за исследуемыми МФП использовалось два ТВП: первый - на основе болометрической камеры фирмы «Indigo» (далее ТВП № 1), второй - на основе фотоприемника с охлаждаемой КРТ-матрицей, разработанной в ИФП СО РАН (далее ТВП № 2). Каждый регистрирующий ТВП оснащался своим входным объективом; объективы имели разные фокусные расстояния, но одинаковое относительное отверстие.
На рис. 1 показано первоначальное изображение охлажденной до рабочей температуры КРТ-матрицы фоточувствительных элементов в криостате № 1. Изображение получено с помощью ТВП № 1. Отчетливо видны области (обозначены буквой «а»), из которых наблюдается паразитное ИК-излучение, исходящее от торцевой «нагретой» части системы охлаждения криостата.
Рис. 1. Изображение КРТ матрицы: а - области паразитного ИК-излучения
На рис. 2 показан уровень сигнала в одной из центральных строк матрицы (при рабочем режиме охлаждения). При максимально возможном значении сигнала 256 бит среднее значение в центре кадра составляет 138 бит, а в области паразитной засветки - 180 бит.
По результатам эксперимента было принято решение об оптимизации конструкции криостата, а именно: были рассчитаны и введены два дополнительных экрана, перекрывающие и отводящие паразитные потоки ИК-излучения.
Ниже на рис. 3 приведено изображение МФП в модернизированном криостате № 2. По сравнению с изображением на рис. 1 области паразитного
ИК-излучения отсутствуют, а внутренний фон криостата имеет равномерный характер.
200 180 180 140 120 100 Ort л Л
\ Г
\
J н l : /
DT
BU SO 40 20
64 128 192 256 320 384 4 48 512 575 МО
Рис. 2. Амплитуда сигнала в строке МФП с исходным криостатом (по оси ординат - амплитуда сигнала в битах 8-разрядного АЦП, по оси абсцисс - номера пикселов телевизионной строки)
Рис. 3. Изображения матрицы в криостате № 2 Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ», полученного с помощью болометрической камеры «Indigo» (ТВП № 1)
На рис. 4 показана амплитуда сигнала в той же строке матрицы при тех же условиях охлаждения в криостате с оптимизированной конструкцией. В данном случае она не превышает 110 бит в центре кадра (снижение на 20 %), а в областях паразитной засветки наблюдается снижение среднего значения сигнала почти в 2,5 раза.
На рис. 5 показаны изображения МФП в криостате № 3, полученные с помощью ТВП № 2 в трех фазах охлаждения.
200 180 180 140 120 100 80 60
го —--—
64 128 192 256 320 384 4 48 512 676 6' 10
Рис. 4. Амплитуда сигнала в строке МФП с модернизированным криостатом (по оси ординат - амплитуда сигнала в битах 8-разрядного АЦП, по оси абсцисс - номера пикселов телевизионной строки)
а
б
Рис. 5. Изображение матрицы в различных фазах охлаждения криостата № 3 (регистратор - ТВП № 2): а - комнатная температура, б - промежуточная температура, в - температура жидкого
азота
в
Интересной особенностью этого эксперимента является то, что при промежуточном охлаждении видны проводники, соединяющие матрицу с внешним разъемом. При дальнейшем охлаждении изображение проводников пропадает, по-видимому, из-за недостаточного контраста. Однако это не означает, что отраженное (паразитное) излучение от них исчезло, и для того чтобы его уменьшить целесообразно закрыть контакты холодным поглощающим экраном.
Таким образом, предложенный тепловизионный метод контроля позволяет уверенно обнаруживать источники паразитной ИК-засветки приемников излучения в охлаждаемых криостатах, чтобы затем принимать необходимые меры по ее уменьшению.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Экспериментальные исследования паразитной фоновой составляющей сигнала в матричных ИК-фотоприемных устройствах / Г. И. Косолапов, П. П. Добровольский, С. М. Чурилов, К. П. Шатунов, П. А. Алдохин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» сб. материалов в 6 т. (Новосибирск,
10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т.1. - С. 85-89.
2. Патрашин А. И. Инфракрасное фотоприемное устройство с оптимальной диафрагмой // Прикладная физика. - 2011. - № 4. - С. 65-70.
3. Патрашин А. И. Теоретическое исследование фоновых облученностей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов // Прикладная физика. - 2011. - № 3. - С. 98106.
© П. П. Добровольский, Г. И. Косолапов, К. П. Шатунов, П. А. Алдохин, 2014
