CC BY
6
УДК 681.7.013
ОПТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ЛАЗЕРНО-ТЕНЕВОЙ СИСТЕМЫ РЕАЛИЗУЮЩЕЙ МЕТОД ВЫНЕСЕННОЙ РЕШЕТКИ С РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИМ SiC-ДЕТЕКТОРОМ
М.В.Казакова, А.О.Разумовская, Д.В.Карачинов, А.С.Варшавский*
OPTICAL AND GEOMETRICAL PARAMETERS OF THE LASER SHADOWGRAPH TELEVISION SYSTEM IMPLEMENTING THE METHOD OF IMPOSED LATTICE OF REFRACTOMETRIC SiC-DETECTOR
M.V.Kazakova, A.O.Razumovskaia, D.V.Karachinov, A.S.Varshavskii*
НИЦНовГУ, mv_kazakova@inbox.ru *Институт электронных и информационных систем НовГУ, varshavskiyas@okbplaneta.ru
Исследованы оптико-геометрические параметры телевизионной системы, осуществляющей метод вынесенной решетки с модифицированным рефрактометрическим SiC-детектором, на поверхности которого реализована расфокусированная решетка из цилиндрических микролунок. Определены оптимальные характеристики микролунок на поверхности SiC-детектора. Рассчитаны основные энергетические параметры системы. При расчетах учитывался эффективный коэффициент излучения дна микролунки. Показано увеличение контраста изображения решетки с ростом температуры. Полученные результаты моделирования показали возможность визуализации тепловых полей нагретых газовых потоков.
Ключевые слова: телевизионная система, энергетический характеристики, SIC-детектор, микролунки, контраст
The authors investigated optical and geometrical parameters of the television system implementing the method of imposed lattice of modified refractometric SiC-detector; the defocused lattice of cylindrical microwells is implemented on the surface of the SiC-detector. Optimal characteristics of microwells on the surface of the SiC-detector are defined. Based power features of the system are calculated. Effective coefficient radiation of microwell bottom is taken into account for calculations. Increase in the contrast of lattice image due to the temperature increase is demonstrated. Obtained results of modeling demonstrated the opportunity of visualization of thermal fields of heated gas flows.
Keywords: television system, power features, SiC-detector, microwells, contrast
Введение
Определенный интерес представляют лазерно-телевизионные системы, регистрирующие изменение показателя преломления по отклонению лазерного луча в пределах оптической неоднородности исследуемой среды, для визуализации и измерения температурных полей нагретых газовых потоков, в том числе и обладающих оптической прозрачностью, например водородное пламя. Использование разработчиками современной электронной элементной базы позволяет осуществлять изготовление систем в малогабаритном (портативном) исполнении [1-3]. Для исследования динамических процессов лазерно-теневыми системами обоснованно используется метод вынесенной решетки, позволяющий фиксировать более сильные процессы [4].
Целью работы является определение оптико-геометрических характеристик системы, реализующей метод вынесенной решетки с помощью модифицированного SiC-детектора.
Методика и результаты исследований
Получение теневых изображений осуществлялось в видимом диапазоне (X = 0,65 мкм) методом расфокусированных решеток с помощью телевизионного модуля с числом элементов 580 (V) х 500 (Н)
фирмы ЭВС. Источником света служил полупроводниковый лазер KLM 650/3. Метод осуществлялся за счет использования модифицированного SiC-детектора, который дополнительно выполнял функцию расфокусированной решетки [5]. Детектор изготавливался из SiC 6H компенсированного типа. В качестве элементов решетки были приняты упорядоченные цилиндрические микролунки, полученные методом высокоточной лазерной обработки на поверхности карбида кремния.
Оптико-геометрическая модель лазерно-теневой системы, реализующей метод вынесенной решетки, представлена на рис.1. В фокальной плоскости основного объектива 2 коллиматорной части теневого прибора находится когерентный источник света конечных размеров 1. Форма источника света протяженная (щелевой источник с размерами 2 мм * 5 мм). Для упрощения считаем, что объектив 2 безаберрационный, отсутствуют дифракционные явления на его оправе, поэтому от каждой точки источника выходит плоская световая волна неограниченного размера. В фокусе основного объектива 6 находится ФПЗС-матрица 7 с рабочим диапазоном освещенности E ~ 5-5-104 лк. [1] Известно, что если освещенность ФПЗС-матрицы превышает предел насыщения, изображение получается засвеченным. Если же освещенность ниже порогового значения, то количество
Рис.1. Оптико-геометрическая модель лабораторного макета лазерно-телевизионной системы с рефрактометрическим SIC-детектором, реализующая метод вынесенной решетки:1 — источник света (лазер), 2 — коллиматор, 3 — газовая горелка, 4 —SiC-детектор, 5 — светофильтр, 6 — объектив, 7 — ПЗС-матрица
фотонов, достигающих сенсоров, становится недостаточным для формирования изображения. Практика экспериментальных исследований показала, что фоновая освещенность ФПЗС-матрицы оказывается соизмеримой с освещенностью лазерным излучением, и для лампы дневного света максимальная освещенность в среднем составляла ~ 100-500 лк. Коэффициент светопропускания объектива коллиматорной части 2 системы в расчетах был принят равным единице. Пучок лазерных лучей, проходя путь до ФПЗС-матрицы теневой телевизионной камеры, испытывает ослабление (поглощение и отражение) в среде распространения, в красном светофильтре 5, установленном перед основным объективом 6, и в основном объективе 6.
При расчете ослабления энергии излучения в среде было также учтено поглощение и отражение в рефрактометрическом SiC-детекторе (рис.2). Коэффициент пропускания с учетом поглощения внутри детектора равен:
т(Х,Т) = ехр(-^Х,Т) ■ (ё - Ь)), (1)
где ^Х,Т) — коэффициент поглощения кристалла (например, при T = 300 К, МХ,Г)= 500 м-1 [11]); d — толщина детектора (м); ^ — глубина лунки (в промежутках между лунками Ь = 0 (м)); Х — длина волны; T — температура (К).
Эффективный коэффициент излучения дна микролунки рассчитывался методом итераций с использованием ЭВМ и определялся суммой собственного и отраженного от стенок полости излучения [6]:
к
ъе (г) =е * (Х, Т) + ра (Х, Т) ■ |ее(х) ■ йф^г, (2) 0
где е *(Х,Т) — кажущийся коэффициент излучения SiC-детектора, рё (Х,Т) — коэффициент диффузионного отражения; кк = ^ / R — глубина лунки в безразмерном виде; х = X/Я — расстояние от открытого конца цилиндрической полости в безразмерном виде; г = гё /Я — расстояние от центра дна цилиндра в безразмерном виде; dфdx-dr — элементарный угловой
коэффициент от элемента цилиндрической поверхности ёх на концевой элемент дна ёг; Я — радиус полости (м); ее (х) — эффективный коэффициент излучения боковой поверхности лунки.
1 2
Рис.2. Изображение SiC политипа 6Н с цилиндрическими лунками. Эксперимент. Нагрев 1300°С: 1 — глубина лунки 300 мкм, 2 — глубина лунки 400 мкм
Коэффициент светопропускания атмосферы татм на пути лазерного излучения был принят также равным единице, поскольку толщина воздушной прослойки слишком мала для того, чтобы заметно ослабить его мощность [1].
Перед основным объективом оптической системы был помещен абсорбционный красный светофильтр КС10 первой категории для фильтрации фонового освещения. Таким образом, в оптическую систему попадало излучение с граничной длиной волны Хр = 600 ± 5 нм. Визуальный коэффициент пропускания красного светофильтра составлял 15% при толщине 2 мм [2].
В качестве основного объектива 2 использовался объектив «Юпитер-8» (фокусное расстояние: / = 52 мм; диаметр входного, выходного отверстия: D = 26 мм;
коэффициент светопропускания тоб = 0,81). Ширина изображения осветительной щели в плоскости ФПЗС-матрицы составляла ~ 4 мм.
Для расчета освещенности изображения на ФПЗС-матрице было трансформировано известное выражение, позволяющее найти наилучшие условия проецирования светящегося тела источника света на приемник [4]:
Е" =
Фоба ^Тоб^'
(3)
16тсЯ У
где Фоб — световой поток в люменах, попадающий в объектив, на величину которого влияет лазерное излучение, прошедшее через оптическую систему и тепловое излучение микролунок; а — апертура основного объектива 6, (а ~ 2Я//); £ — ширина открытой части изображения осветительной щели; тоб — коэффициент пропускания света оптической системой теневого прибора; I (м) — средняя ширина источника света в направлении, перпендикулярном щели теневого прибора; д — масштаб изображения неоднородности; д' — масштаб изображения источника света; Я (м) — радиус основного объектива теневого прибора.
Способ освещения ФПЗС-матрицы для эксперимента с точечной решеткой соответствует варианту полностью открытого изображения осветительной
щели. Это условие позволяет принять Щ- = 1.
I
Таким образом, выражение (3) приняло вид:
Е" =
Фоба Тоб
1бяяУ :
(4)
Были проведены расчеты зависимости освещенности ФПЗС-матрицы теневого прибора при мощности лазерного излучения от источника Феист = 3
мВт, ЕПЗС = 37,5 лк. Аналогичным образом рассчитывалась освещенность ФПЗС-матрицы Еипзс,дС, создаваемая фоновым дневным светом, ЕПЗС дС = 1,75 лк.
Известно, что применение светотехнических единиц (люкс, люмен и т. п.) при расчетах теневых телевизионных систем на основе ФПЗС-матриц является не совсем корректным, поскольку спектральный диапазон чувствительности ФПЗС-матриц значительно шире, чем у глаза, поэтому оценивать их характеристики следует в энергетических единицах (ватт, количество фотонов) [7]. Поэтому, учитывая освещенность ФПЗС-матрицы, длину волны излучения, задавая время накопления ^ = 20 мс, площадь пикселя и квантовую эффективность матрицы, можно рассчитать число электронов, накапливаемых в пикселе ФПЗС-матрицы.
Важным фактором, влияющим на результаты расчетов, является уровень электрического шума. Известно, что суммарный уровень шума "ш, возникающего при фотоэлектрическом преобразовании, состоит из фотонного шума потока излучения от объекта и собственных шумов ФПЗС-матрицы и ее электронного тракта [8,9].
"ш=а/мф+^ПЗС, (5)
где — суммарное значение среднеквадратического отклонения (СКО) шума; "ф — СКО фотонного шума; "ПЗС — паспортное значение СКО шума ПЗС.
С учетом суммарного уровня шума была принята формула для расчета контраста изображения лунки заданной глубины ^ , расположенной на плоскости кристалла заданной толщины:
К =
дгЛУНКА . дгЛУНКА дгКРИСТАЛЛ дг]
"ЭЛ КР/ХИЗЛ + "ш _NЭЛ1—РТХИЗЛ ~N
ЛУНКА дГКРИСТАЛЛ дгКРИСТАЛЛ ЭЛД-Р!Х,ИЗЛ - "Ш
N
ЛУНКА ЭД1-Р/Х,ИЗЛ
ЛУНКА + "Ш
(6)
где "^Л^Рх,ИЗЛ — число сигнальных электронов, образованных лазерным излучением в пикселе мат-
ЛУНКА
рицы в области изображения лунки; МШ — суммарное значение среднеквадратического шума в пикселе матрицы в области изображения лунки;
N
КРИСТАЛЛ ЭЛ,1-Р/Х ,ИЗЛ
— число сигнальных электронов, обра-
зованных лазерным излучением в пикселе матрицы в области изображения кристалла с основной толщиной; "ШКрИСТАЛЛ — суммарное значение среднеквад-ратического шума в пикселе матрицы в области изображения кристалла с основной толщиной.
Число электронов, образованных фоновым дневным светом, является общей величиной и в расчете не учитывается.
Число электронов, накопленных на одном элементе ПЗС-матрицы, в области изображения кристалла с основной толщиной и в области лунки можно найти:
"пЗС = э El"зc, (7)
где tн (с) — время накопления заряда; 5э (м2) — площадь элемента; % (%) — квантовая эффективность ПЗС-матрицы; h — постоянная Планка; с (м/с) — скорость света; X — длина волны излучения, Е^ — освещенность ПЗС-матрицы рассчитывалась для изображений в области лунки и основной толщины детектора с учетом оптических свойств в заданной области.
Согласно расчетам, при температуре среды 20°С значения контраста изображения лунки при заданной мощности источника излучения Феист = 3 мВт для глубины лунки 25 мкм, 200 мкм и для сквозного отверстия (500 мкм) составили К25 = 0,00; К200 = 0,09; К500 = 0,21 соответственно.
При погружении детектора в нагретый газовый поток наблюдается некоторое увеличение излучения в области цилиндрических лунок, которое способствует увеличению контраста изображения лунок. Для расчета оптических коэффициентов при высоких температурах в политипных соединениях с микролунками использовались параметры SiC и методика, предложенные в [6,10,11]. С ростом температуры наблюдается увеличение контраста изображения решетки (рис.3).
К ÜL2
1.4х1(Г
l.folDJ
12>10 т. °с
Рис.3. Зависимость контраста теневого изображения рефрактометрического детектора из SiC политипа 6Н компенсированного типа с цилиндрическими микролунками. Глубина лунки 200 мкм. Расчет
Для дальнейшего повышения контраста изображения лунки предлагается использовать SiC с увеличенной концентрацией примесей. При температурах, близких к 300 К, и использовании в качестве материала детектора SiC компенсированного типа наблюдается низкий контраст, непригодный для анализа.
Дополнительно оценивалось оптимальное количество элементов решетки для проведения измерений в заданном поле зрения системы, оно составляет 20 точек по горизонтали и вертикали соответственно. Согласно калибровочным данным, для 20 точек период решетки цилиндрических лунок составляет tx = tv= 600 мкм; для 16 точек — tx = ty = 750 мкм, при диаметре лунок ~ 200...250 мкм.
Заключение
Разработанная методика в рамках предложенной оптико-геометрической модели позволяет оценить необходимые физические и геометрические параметры модифицированного SiC-детектора с функцией встроенной решетки, а также рассчитать энергетические параметры системы визуализации температурных полей нагретых газовых потоков, построенной по методу расфокусированных решеток и работающей в режиме вынесенной решетки.
Работа выполнена при финансовой поддержке грант РФФИ 16-47-530820р_а .
1. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Чел-панов В.И. Оптимизация энергетических характеристик теневого телевизионного прибора на основе ПЗС-матрицы // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 2009. №1, 2. С.77-81.
2. Карачинов В.А., Ильин С.В., Торицин С.Б. Лазерно-телевизионная система исследования конвективных потоков // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2003. №23. С.86-91.
3. Маслов Н.А., Бойко В.М., Голубев М.П. и др. Оптические приборы: Учебное пособие. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2008. 166 с.
4. Васильев Л.А. Теневые методы. М.: Наука, 1968. 400 с.
5. Казакова М.В., Карачинов Д.В., Евстигнеев Д.А., Зверев К.А. Энергетические параметры телевизионной системы
с SiC-детектором на основе метода расфокусированных решеток для измерения температуры газовых потоков // Вестник РГРТУ. 2016. №4. Вып.58. С.165-169.
6. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Казакова М.В. Тепло-физические и оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида кремния // ЖТФ. 2012. Т. 82. Вып.8. С.129-133.
7. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. 360 с.
8. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров. М.: Радио и связь, 1983. 176 с.
9. Князев М.Г, Бондаренко А.В., Докучаев И.В. Расчет пороговых значений потока излучения и освещенности для ПЗС матриц Kodak KAI-1003M, Kodak KAI-1020 и Philips FTF3020M [Электронный ресурс]. URL: http://www.rastr.net/Download/Doc/KAI1003_KAI1020_FT F3020.pdf
10. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Казакова М.В., Бондарев Д.А. Визуализация особенностей температурного поля излучающей гетерогенной микросистемы на основе политипного соединения // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2016. №7 (98). С.30-33.
11. Neuberger M. Silicon carbide. EPIC. 1965. 105 p.
1.
References
Karachinov V.A., Razumovskaia A.O., Dzherenov I.G., Chelpanov V.I. Optimizatsiia energeticheskikh kharakteristik tenevogo televizionnogo pribora na osnove PZS-matritsy [Optimisation of power characteristics of the shadow television device on the basis of the CCD-matrix]. Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia, 2009, no.1-2, p.77-81.
2. Karachinov V.A., Il'in S.V., Toritsin S.B. Lazerno-televizionnaia sistema issledovaniia konvektivnykh potokov [The laser TV-system of investigating convective flows]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2003, no. 23, pp. 86-91.
3. Maslov N.A., Boiko V.M., Golubev M.P., Pavlov A. A., Pavlov Al.A., Pozdniakov G.A. Opticheskie pribory [Optical instruments]. Novosibirsk, NSU Publ., 2008. 166 p.
4. Vasil'ev L.A. Tenevye metody [Shadow methods]. Moscow, "Nauka" Publ., 1968. 400 p.
5. Kazakova M.V., Karachinov D.V., Evstigneev D.A., Zverev K.A. Energeticheskie parametry televizionnoi sistemy s SiC-detektorom na osnove metoda rasfokusirovannykh reshetok dlia izmereniia temperatury gazovykh potokov [Power parameters of television system with SIC-detector based on method of focus lattices for temperature measurement of gaz flows]. Vestnik RGRTU -Vestnik of RSREU, 2016, no. 4(58), pp. 165-169.
6. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Kazakova M.V. Te-plofizicheskie i opticheskie svoistva mikrosistem s lunochnym rel'efom na osnove karbida kremniia [Thermo-physical and optical properties of silicon carbide-based microsystems with a dimple relief]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2012, vol. 57, no. 8, pp. 1167-1171.
7. Iakushenkov Iu.G. Teoriia i raschet optiko-elektronnykh pri-borov [Theory and estimation of optoelectron devices]. Moscow, "Mashinostroenie" Publ., 1989. 360 p.
8. Vorob'ev V.I.; Vasil'ev V.P., ed. Opticheskaia lokatsiia dlia radioinzhenerov [Optical-radar detection for radio engineers]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1983. 176 p.
9. Kniazev M.G, Bondarenko A.V., Dokuchaev I.V. Raschet porogovykh znachenii potoka izlucheniia i osveshchennosti dlia PZS matrits Kodak KAI-1003M, Kodak KAI-1020 i Philips FTF3020M [Estimation of threshold values of the radiant flux and luminous intensity for CCD-matrix]. Available at: www.rastr.net/Download/Doc/KAI1003_KAI1020_FTF3020.pdf
10. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Kazakova M.V., Bon-darev D.A. Vizualizatsiia osobennostei temperaturnogo polia izluchaiushchei geterogennoi mikrosistemy na osnove politipnogo soedineniia [Visualisation of the temperature field characteristics of radiant heterogeneous microsystem based on polytypic compound]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2016, no. 7(98), pp. 30-33.
11. Neuberger M. Silicon carbide. EPIC, 1965. 105 p.
