УСТАНОВКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Заявляемая полезная модель относится к измерительному оборудованию, предназначенному для измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств (МФПУ) инфракрасного (ИК) диапазона спектра от 2 до 14 мкм в нормальных климатических условиях, и может применяться для измерения темнового тока, фототока, сопротивления, токовой и вольтовой чувствительности, среднеквадратичного значения шума, фотосигнала, удельной обнаружительной способности и пороговой мощности излучения. Установка может использоваться при исследованиях, настройке, контроле мультиспектральных ИК-фотоприемников, используемых в тепловидении высокого разрешения и научных исследованиях.
Аналогом данной установки является универсальная измерительная установка К54.410 [Техническое описание, Универсальная измерительная установка К54.410ТО, 1972 г., стр.6]. Универсальная измерительная установка К54.410 предназначена для измерения параметров приемников лучистой энергии в нормальных климатических условиях. Измеряемые параметры включают темновое сопротивление, уровень собственных шумов и напряжение сигнала. Известная установка содержит источник излучения - абсолютно черное тело (АЧТ) с блоком регулировки температуры АЧТ; модулятор с блоком регулировки модулятора; универсальный измерительный тракт с блоком управления, стендом, усилителями - Y-I и Y-II, блоком питания усилителей, предусилителем, кабелями, щитком распределительным, вольтметром.
Наиболее близким аналогом (прототипом) данной установки является устройство для измерения параметров матричных приемников инфракрасного излучения (патент на полезную модель №39199 U1), содержащее расположенные последовательно абсолютно черное тело, установленную в непосредственной близости от его выходного отверстия пластину и измеряемый приемник излучения, присоединенный к блокам управления и регистрации сигналов. В пластине в виде круглых отверстий разного диаметра выполнены две диафрагмы, установленные с возможностью попеременного расположения их в непосредственной близости от выходного отверстия абсолютно черного тела, что обеспечивает возможность последовательного измерения сигналов и уменьшает неоднородность излучения абсолютно черного тела.
1
n
Известные установки производят интегральную оценку параметров МФПУ в заданном инфракрасном диапазоне спектра (например, от 2 до 14 мкм). Недостатком известных полезных моделей является невозможность измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств в заданных под диапазонах (1…n) и выявления характерных особенностей изменения параметров мультиспектральных МФПУ на каждой из заданных длин волн λ…λ поддиапазона во всем диапазоне 2-14 мкм.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является измерение параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств с высокой точностью.
1
n
Технический результат достигается тем, что обеспечивается возможность измерения параметров МФПУ в заданных поддиапазонах (1…n) и выявления характерных особенностей изменения параметров мультиспектральных МФПУ на каждой из заданных длин волн λ…λ поддиапазона во всем диапазоне 2-14 мкм.
В предложенной полезной модели задача достигается тем, что установка дополнительно содержит устройство спектральной фильтрации изображений, построенное на базе держателя с двумя фильтрами: сменным неперестраиваемым интерференционным и дополнительным блокирующим, которые устанавливаются в непосредственной близости от измеряемого мультиспектрального МФПУ для осуществления фильтрации потока излучения.
n
λn
n
n
Устройство спектральной фильтрации изображений с двумя фильтрами позволяет достичь однородность облучения МФПУ спектральным потоком излучения на заданной длине волны λ с мощностью излучения P (соответствующей длине волны λ с целью осуществления эффективной фильтрации изображений, формирования тестовых моноспектральных полей и измерения параметров мультиспектральных МФПУ на заранее заданной длине волны λ.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
На фиг.1 представлена пектральная характеристика пропускания сменного неперестраиваемого интерференционного фильтра;
На фиг.2 представлена структурная схема установки автоматизированного измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств.
n
λn
n
Методика измерений мультиспектральных МФПУ основана на последовательном облучении МФПУ спектральными потоками излучения с известными длинами волн λ (центральная длина волны спектральной характеристики пропускания n-го интерференционного фильтра) с мощностями P (соответствующими потоку излучения на длине волны λ). Спектральные потоки излучения выделяются из излучения АЧТ с помощью узкополосных спектральных фильтров с известными характеристиками. Центральные длины волн, которым соответствуют максимальные значения пропускания фильтров, известны из паспортов к фильтрам.
n
Спектральные характеристики сменных интерференционных фильтров измеряются на двухлучевом инфракрасном спектрофотометре модели 270-50 с помощью образцового калиброванного пироприемника излучения ПП-04. Установлено, что у части фильтров имеется паразитное пропускание в длинноволновой (λ>λ) области спектра (смотри фиг.1).
Поэтому для блокировки паразитного пропускания подобраны и успешно используются дополнительные фильтры, представляющие собой блокирующие пластины, выполненные из фтористого бария, фтористого лития, фтористого кальция и стекла ПС-11.
ф+пл
Для подтверждения обоснованности подбора блокирующих фильтров к интерференционным фильтрам измерялись спектрограммы соответствующих их комбинаций с оцифровками зависимостей спектров пропускания фильтров τ(λ) - спектрограммы «неперестраиваемый интерференционный фильтр + блокирующий фильтр».
n
n
При использовании в составе установки автоматизированного измерения параметров мультиспектральных МФПУ устройства спектральной фильтрации изображений на базе держателя с двумя фильтрами (неперестраиваемым интерференционным и блокирующим) достигаются высокая однородность облучения МФПУ, эффективная фильтрация изображения на заданной длине волны и формирование тестового моноспектрального поля для дальнейшего измерения параметров на заранее заданной длине волны λ. Предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять измерения параметров матричных фотоприемных устройств ИК-диапазона спектра, таких как темнового тока, фототока, сопротивления, токовой и вольтовой чувствительности, среднеквадратичного значения шума, фотосигнала, удельной обнаружительной способности и пороговой мощности излучения каждого элемента мультиспектрального МФПУ на заданной длине волны λ.
Процесс измерений, обработка результатов, визуализация информации в виде диаграмм и гистограмм распределения параметров, а также сохранение результатов измерений в виде файлов и распечатка графиков производится автоматизировано, что позволяет повысить производительность труда и устранить ошибки оператора.
Установка автоматизированного измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств содержит следующие устройства:
1 Источник излучения - абсолютно черное тело (АЧТ);
2 Блок регулирования температуры абсолютно черного тела;
3 Блок сменных диафрагм;
4 Устройство спектральной фильтрации изображений;
5 Сменный неперестраиваемый интерференционный фильтр;
6 Блокирующий фильтр;
7 Мультиспектральное матричное фотоприемное устройство (МФПУ);
8 Блок сопряжения;
9 Измеритель рабочей температуры МФПУ;
10 Система измерений;
11 Интерфейсная плата с сигнальным процессором, содержащая аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
12 Персональная ЭВМ.
При этом указанные устройства расположены в следующей последовательности: АЧТ (1) с блоком регулирования температуры (2) АЧТ, блок сменных диафрагм (3), устройство спектральной фильтрации изображений (4), содержащее сменный неперестраиваемый интерференционный фильтр (5) и блокирующий фильтр (6), мультиспектральное МФПУ (7), блок сопряжения (8) с измерителем рабочей температуры (9) МФПУ, система измерений (10) с интерфейсной платой АЦП-ЦАП (11) и персональной ЭВМ (12). АЧТ располагается напротив блока сменных диафрагм (3) таким образом, чтобы излучение ИК-диапазона спектра проецировалось в плоскость расположения МФПУ. МФПУ устанавливается на расстоянии L от АЧТ.
Установка работает следующим образом.
В качестве источника излучения используется АЧТ (1). Температура АЧТ устанавливается оператором до процесса измерений с помощью блока регулирования температуры (2). АЧТ нагревается до заданной температуры Т=1273°К. Сменные диафрагмы (3), имеющие различные размеры, позволяют изменять плотность потока ИК-излучения, падающего на МФПУ. Устанавливается заданный диаметр сменной диафрагмы. Между МФПУ (7) и блоком сменных диафрагм (3) установлено устройство спектральной фильтрации изображений (4), построенное на базе держателя с двумя фильтрами: сменным неперестраиваемым интерференционным (5) и блокирующим (6). Устройство снабжено приводом, который позволяет менять оптический интерференционный фильтр по командам от ПЭВМ без вмешательства оператора в процессе измерений МФПУ. Рабочая температура МФПУ (7) контролируется с помощью измерителя рабочей температуры (9) через интерфейс блока сопряжения (8). Подача управляющих тактовых импульсов и считывание напряжений с МФПУ производится через блок сопряжения (8). Блок сопряжения (8) с помощью специального кабеля соединяется с измерительной системой (10), включающей интерфейсную плату (11) и ПЭВМ (12). Измерительная система обеспечивает автоматизированное управление, считывание, усиление и обработку сигнала с мультиспектрального МФПУ. Интерфейсная плата (11) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для считывания аналоговых сигналов с МФПУ, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для подачи напряжения смещения на каждый элемент МФПУ через блок сопряжения (8) и цифровые входы-выходы для формирования тактовой диаграммы управления МФПУ. Блок сопряжения (8) позволяет в автоматическом режиме подавать различные значения напряжения смещения и значения времени накопления на МФПУ для измерения семейств зависимостей ФЭП от напряжения смещения и времени накопления.
Измерения проводятся следующим образом. Измеряемое МФПУ (7) подключается к входу блока сопряжения МФПУ (8), выход которого подключен к интерфейсной плате АЦП-ЦАП (11), вставленной в системный блок ПЭВМ (12). Измерение сигналов с МФПУ производится под управлением ПЭВМ (12) с помощью специально разработанного программного обеспечения. Оператор включает АЧТ, ПЭВМ (12) и измеритель рабочей температуры МФПУ (9) и запускает программное обеспечение, которое позволяет автоматизировано измерять распределения тока, фотосигнала, шума, сопротивления; обнаружительной способности, вольтовой и токовой чувствительности, пороговой мощности излучения по МФПУ.
1
λ1
1
2
λ2
n
λn
Излучение от АЧТ, пройдя через блок диафрагм, попадает на сменный интерференционный фильтр и блокирующий фильтр, имеющий максимальное пропускание на длине волны λ. С выхода блокирующего фильтра сигнал попадает на МФПУ, с выходов которого через блок сопряжения (8) сигнал попадает в систему измерений (10), где регистрируется интерфейсной платой (11), вставленной в системный блок ПЭВМ (12) в виде массива данных U с каждого элемента МФПУ при заданном напряжении смещения и времени накопления. После того, как произведена регистрация сигнала, вместо комбинации фильтров для длины волны λ ставятся сменный интерференционный фильтр и блокирующий фильтр, имеющий максимальное пропускание на длине волны λ, сигнал с которого попадает на МФПУ и затем регистрируется в виде массива данных U. Последовательность действий повторяется до тех пор, пока не будет зарегистрирован уровень сигнала с последнего фильтра n для излучения на длине волны λ в виде массива данных U.
После измерений данные запоминаются и обрабатываются. Система измерений (10) обеспечивает их сохранение в виде файлов, распечатку протоколов и результатов измерений в виде диаграмм и гистограмм распределений темнового тока, фотосигнала, среднеквадратичного значения шума, удельной обнаружительной способности, токовой и вольтовой чувствительности, пороговой мощности излучения.
Установка автоматизированного измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств обеспечивает следующие технические характеристики:
Тип излучателя
АЧТ
Температура АЧТ, °К
300…1273
Спектральный диапазон, мкм
2-14
Формат испытуемых МФПУ, элементов
до 1024×1024
Диаметр выходной диафрагмы АЧТ, мм
1.2; 2.4; 4.8; 8.0
Количество сменных неперестраиваемых фильтров
19
Расстояние от диафрагмы до МФПУ, мм
21
Диапазон напряжений фотосигнала МФПУ, В
0,01-5
Диапазон токов, мкА
0.001-1000
Диапазон сопротивлений, МОм
0.01-100
Уровень собственных шумов, не более, мВ
2,5
Разрядность АЦП системы измерений, бит
12
Количество цифровых выводов платы АЦП-ЦАП, шт.
16
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В
220±22
частота, Гц
50±10
Потребляемая мощность, не более, кВт
1,5
Масса, не более, кг
150