Способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ
METHOD FOR MEASURING THRESHOLD TEMPERATURE DIFFERENCE OF IR MEPD

Изобретение относится к способам измерения параметров инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ), работающих в режиме накопления. Эти устройства являются сложными высокотехнологичными приборами. Они работают в диапазонах 1-2,8 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм и далее вплоть до 100-150 мкм, включают матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ), содержащую от 1000 (формат 4×288) фотодиодов до более чем 1000000 (формат 1280×1024) фотодиодов и более, состыкованных с таким же количеством ячеек кремниевого мультиплексора. Мультиплексор выполняет накопление фототоков фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в ячейках, поэлементное считывание накопленных зарядов, преобразование их в напряжение, предварительное усиление и вывод сигналов, как правило, на несколько выходов с заданной частотой кадров. Современные мультиплексоры-процессоры кроме этого преобразуют выходной сигнал из аналоговой формы в цифровую форму и осуществляют предварительную цифровую обработку сигналов. При этом рабочая температура матрицы и мультиплексора может быть достаточно низкой, чтобы снизить обратные токи ФЧЭ. Это достигается расположением их в вакуумированном корпусе на холодном пальце микрокриогенной системы (МКС), представляющей собой сложное электронно-механическое устройство.
ИК ФПУ обязательно включает следующие составные части:
- светонепроницаемый корпус с входным окном;
- входное окно, просветленное в заданной части спектра;
- светонепроницаемый и охлаждаемый экран с окном (диафрагмой), соосной с входным окном (если необходим);
- светофильтр, расположенный в охлаждаемом экране, задающий рабочий спектр фоточувствительности (если необходим);
- МФЧЭ, соосная с диафрагмой и входным окном ФПУ, окруженная светонепроницаемым экраном с диафрагмой;
- интегральная схема мультиплексора, состыкованная поэлементно с МФЧЭ;
- плата с контактными дорожками (сапфир, кремний и т.д.), на которой закреплен мультиплексор с МФЧЭ и разварены его контакты;
- система охлаждения или фиксации рабочей температуры (если необходима), на которой закреплен экран, растр с контактными дорожками, со сборкой МФЧЭ-мультиплексор и с датчиком температуры.
При изготовлении ФПУ контролируются параметры всех его составных частей, т.к. от них зависят пороговые фотоэлектрические характеристики устройства, определяющие его качество.
Одной из важнейших характеристик является пороговая разность температур (NETD).
Пороговая разность температур (NETD) - величина приращения температуры излучения, падающего на фотоприемник, приводящего к изменению выходного сигнала на величину, равную интегральному шуму фотоприемника (отношение сигнал/шум равно единице). Эта характеристика определяет качество МФПУ.
В отечественной справочной литературе (ГОСТ 17772-88 Приемники излучения. Полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик) отсутствует какое-либо описание метода измерения пороговой разности температур.
Аналогом заявляемого технического решения является способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ (A. Rogalski, Progress in focal plane array technologies, Progress in Quantum Electronics, Elsevier Ltd, 36, 2012, P. 383). Для реализации этого способа необходимо
1
- установить первую температуру АЧТ T;
ш1ij
- измерить и запомнить первый массив интегральных шумов каждого ФЧЭ V;
1ij
- измерить и запомнить первый массив выходных сигналов каждого ФЧЭ V;
2
- установить вторую температуру АЧТ Т;
ш2ij
- измерить и запомнить второй массив интегральных шумов каждого ФЧЭ V;
2ij
- измерить и запомнить второй массив выходных сигналов каждого ФЧЭ V;
- рассчитать NETD каждого ФЧЭ по следующей формуле:
c
2
1
где ΔТ=Т-Т;
c
2
1
ΔV=V-V.
Данный способ имеет следующие недостатки.
c
2
1
ш1
ш2
1. Измерение двух массивов выходных сигналов ФЧЭ ИК МФПУ при двух разных температурах АЧТ. При этом разность выходных сигналов каждого ФЧЭ должна быть не менее ΔV=V-V=10⋅(V+V). В противном случае на эту величину будут слишком сильно влиять напряжения шумов ФЧЭ при первой и второй температурах АЧТ.
ш
ш2
ш1
ш1
ш
2. Измерение двух массивов шумов ФЧЭ при двух разных температурах АЧТ. При этом разность шумов для каждого ФЧЭ должна быть не более ΔV=V-V≤0,1⋅V. В противном случае выбор одного из значений V для последующего расчета будет давать результат, отличный от результата со вторым значением напряжения шума.
3. Необходимость установки двух отличающихся температур АЧТ с минимальной разницей напряжений шума и максимальной разницей напряжений сигнала. Фактически, это противоречит и первому, и второму условию, определяющему величину разницы выходных сигналов ИК МФПУ при первой и второй температурах АЧТ.
4. Неизвестность температуры АЧТ (первая или вторая), при которой необходимо измерять (выбирать) величину интегрального шума и рассчитывать NETD.
5. Пониженная точность измерения NETD, обусловленная перечисленными противоречиями.
Прототипом заявляемого технического решения выбран способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ, вытекающий из работы, описывающей теоретический расчет параметров устройства (А.И. Патрашин и др., Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014 г., с. 35-45).
сигн
инт_ij
ш_ij
сигн_ij
к
д
ij
В данном способе измерения пороговой разности температур ИК МФПУ размещают перед АЧТ, площадь излучающей поверхности которого много больше площади МФЧЭ, устанавливают заданную температуру АЧТ Т, измеряют интегральные сигналы ФЧЭ V, генерированные полезным излучением протяженного АЧТ, и «паразитными» излучениями входного окна МФПУ, светофильтра, светонепроницаемого экрана с окном (диафрагмой) и темновыми токами ФЧЭ, измеряют сумму сигналов ФЧЭ, генерированных «паразитными» излучениями, измеряют интегральные шумы V всех ФЧЭ, рассчитывают разности интегральных сигналов и сумм «паразитных» сигналов, получая значения полезных фотосигналов V, генерированных излучением протяженного АЧТ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ и λ и рассчитывают величину NETD по формуле
10
-1
где с=2,998⋅10 см⋅с - скорость света;
B
-23
-1
k=1,381⋅10 Вт⋅с⋅К - постоянная Больцмана;
-34
2
h=6,626⋅10 Вт⋅с - постоянная Планка;
сигн
к
д
к
д
-1
-2
N(T; λ; λ), квантов⋅с⋅см - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ; λ];
сигн
к
д
Z(T; λ; λ) - интеграл от производной функции Планка по температуре
Размерность пороговой разности температур - градусы Кельвина.
сигн_ij
Недостатком настоящего технического решения является невозможность прямого определения фотосигналов ФЧЭ, V, генерированных полезным излучением протяженного АЧТ, что существенно усложняет методику измерения NETD.
Действительно, для того чтобы в данной оптической схеме измерить полезные фотосигналы всех ФЧЭ, генерированные излучением протяженного АЧТ, необходимо измерить их интегральные фотосигналы и так называемые «паразитные» фотосигналы ФЧЭ от излучения входного окна МФПУ, от излучения светофильтра, от излучения светонепроницаемого экрана с окном (диафрагмой) и сигналы, генерируемые темновыми токами ФЧЭ. Затем из интегральных сигналов ФЧЭ необходимо вычесть сумму «паразитных» сигналов. Полученные величины будут являться полезными фотосигналами ФЧЭ, генерированными излучением протяженного АЧТ.
Измерение каждого из «паразитные» фотосигналов ФЧЭ или их суммарной величины, в отличие от теоретического расчета, является весьма непростой задачей, которая до сих пор корректно не решена. В силу этого способ-прототип экспериментально не проработан, точность измерения пороговой разности температур ИК МФПУ с его помощью будет, мягко говоря, низкой, методика будет достаточно сложной, а время измерения - продолжительным.
Целью заявляемого технического решения является повышение точности измерения при одновременном повышении его производительности и упрощении методики.
сигн
ш_ij
к
д
ij
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения пороговой разности температур ФЧЭ ИК МФПУ, в котором ИК МФПУ размещают перед АЧТ, устанавливают заданную температуру АЧТ Т, измеряют интегральные шумы V всех ФЧЭ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ и λ, рассчитывают величину NETD по формуле
10
-1
где с=2,998⋅10 см⋅с - скорость света;
B
-23
-1
k=1,381⋅10 Вт⋅с⋅К - постоянная Больцмана;
-34
2
h=6,626⋅10 Вт⋅с - постоянная Планка;
сигн
к
д
к
д
-1
2
N(Т; λ; λ), квантов⋅с⋅см - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ; λ];
сигн
к
д
Z(T; λ; λ) - интеграл от производной функции Планка по температуре
сигн_ij
используют АЧТ с площадью излучающей площадки, не превышающей размеров МФЧЭ, между АЧТ и МФПУ, вблизи АЧТ устанавливают оптический модулятор, перекрывающий излучение АЧТ, включают модулятор с заданной частотой модуляции излучения, перед расчетом пороговой разности температур измеряют сигналы всех ФЧЭ V, генерированные полезным излучением АЧТ, останавливают модулятор и проводят вычисление пороговой разности температур всех ФЧЭ.
сигн_ij
к
д
сигн
ш_ij
к
д
сигн
сигн
к
д
В заявляемом способе, измеряемыми величинами являются полезный сигнал ФЧЭ V, зависящий от границ кривой спектральной чувствительности, [λ; λ], от температуры АЧТ, Т, и от номера ij ФЧЭ, и интегральный шум ФЧЭ V, определяемый температурами фона, входного окна, корпуса, холодного экрана и холодного светофильтра, также зависящий от границ кривой спектральной чувствительности [λ; λ], от температуры АЧТ, Т, и от номера ij ФЧЭ. Функции (3) и (4), как и множитель , являются точными расчетными величинами, зависящими лишь от температуры сигнала (АЧТ) T и ширины спектральной полосы чувствительности МФПУ [λ; λ], которые достаточно точно устанавливаются и измеряются.
к
д
При использовании заявляемого способа отпадает необходимость измерения нескольких «паразитных» сигналов и последующего вычисления полезного фотосигнала, и мы проводим измерение одного шума и одного сигнала ФЧЭ МФПУ и последующий расчет по указанной выше формуле [1]. Измерение спектра пропускания холодного светофильтра для определения длин волн λ и λ является необходимым в заявляемом способе для подтверждения заданного спектрального интервала фоточувствительности. Это измерение обязательно проводится в технологическом маршруте изготовления любого МФПУ.
Заявляемый способ, в отличие от прототипа, может быть реализован в стандартной оптической схеме стенда измерения, соответствующей ГОСТ 17772-88.
Данная оптическая схема стенда измерения (фиг. 1) включает АЧТ с малым диаметром диафрагмы, ∅(2-10) мм, и температурой, например, 500 К, соответствующей вышеуказанному ГОСТу.
При ее реализации на МФПУ попадает модулированное сигнальное излучение от АЧТ и стационарные излучения, создающие, наряду с темновым током ФЧЭ, поэлементный шум устройства. Это излучения от окружающего фона, от корпуса, от входных окон, от холодных светофильтров и экранов, имеющих фиксированные температуры и излучающих, вследствие этого, в соответствии с законом Планка. Полезный сигнал ФЧЭ измеряется прямым образом на заданной частоте модуляции. Шум ФЧЭ измеряется при остановленном модуляторе и закрытой шторке АЧТ, как среднеквадратичное отклонение от среднего выходного напряжения. При его измерении должен учитываться и вычитаться собственный шум стенда измерений. Измерение NETD возможно во всем диапазоне температур АЧТ и требует только одной его температуры. Отсутствие необходимости предварительных измерений нескольких «паразитных» сигналов упрощает методику измерения, снижая трудозатраты, повышая производительность способа и точность измерения заданного параметра.