Установка автоматизированного измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств

 

Заявляемая полезная модель предназначена 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 содержит последовательно установленные источник ИК-излучения - абсолютно черное тело (1) с блоком регулирования температуры (2), 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), систему измерений (10) с интерфейсной платой АЦП-ЦАП (11) и персональной ЭВМ (12). Полезная модель обеспечивает измерение параметров мультиспектральных МФПУ с высокой точностью, 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 2 илл.

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.

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 (1n) и выявления характерных особенностей изменения параметров мультиспектральных МФПУ на каждой из заданных длин волн 1n поддиапазона во всем диапазоне 2-14 мкм.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является измерение параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств с высокой точностью.

Технический результат достигается тем, что обеспечивается возможность измерения параметров МФПУ в заданных поддиапазонах (1n) и выявления характерных особенностей изменения параметров мультиспектральных МФПУ на каждой из заданных длин волн 1n 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.

Устройство спектральной фильтрации изображений с двумя фильтрами позволяет достичь однородность облучения МФПУ спектральным потоком излучения на заданной длине волны n с мощностью излучения Pn (соответствующей длине волны n с целью осуществления эффективной фильтрации изображений, формирования тестовых моноспектральных полей и измерения параметров мультиспектральных МФПУ на заранее заданной длине волны n.

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.

Методика измерений мультиспектральных МФПУ основана на последовательном облучении МФПУ спектральными потоками излучения с известными длинами волн n (центральная длина волны спектральной характеристики пропускания n-го интерференционного фильтра) с мощностями Pn (соответствующими потоку излучения на длине волны n). 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.

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 (>n) 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.

Для подтверждения обоснованности подбора блокирующих фильтров к интерференционным фильтрам измерялись спектрограммы соответствующих их комбинаций с оцифровками зависимостей спектров пропускания фильтров ф+пл() - спектрограммы «неперестраиваемый интерференционный фильтр + блокирующий фильтр».

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 n. 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 n.

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.

Излучение от АЧТ, пройдя через блок диафрагм, попадает на сменный интерференционный фильтр и блокирующий фильтр, имеющий максимальное пропускание на длине волны 1. 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 U1 с каждого элемента МФПУ при заданном напряжении смещения и времени накопления. После того, как произведена регистрация сигнала, вместо комбинации фильтров для длины волны 1 ставятся сменный интерференционный фильтр и блокирующий фильтр, имеющий максимальное пропускание на длине волны 2, сигнал с которого попадает на МФПУ и затем регистрируется в виде массива данных U2. Последовательность действий повторяется до тех пор, пока не будет зарегистрирован уровень сигнала с последнего фильтра n для излучения на длине волны n в виде массива данных Un.

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 излучателяАЧТ
Температура АЧТ, °К 3001273
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, В220±22
частота, Гц50±10
Потребляемая мощность, не более, кВт1,5
Масса, не более, кг150

1. Установка автоматизированного измерения параметров мультиспектральных матричных фотоприемных устройств, содержащая последовательно расположенные источник ИК-излучения - абсолютно черное тело с блоком регулирования его температуры, блок сменных диафрагм, измеряемое мультиспектральное матричное фотоприемное устройство, блок сопряжения с измерителем рабочей температуры мультиспектрального матричного фотоприемного устройства и измерительную систему, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введено устройство спектральной фильтрации изображений, расположенное между блоком сменных диафрагм и измеряемым мультиспектральным матричным фотоприемным устройством.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство спектральной фильтрации изображений выполнено в виде держателя с двумя фильтрами - неперестраиваемым интерференционным и блокирующим.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для проведения синхронных измерений параметров вибраций и шума, при осуществлении мониторинга параметров сложных технических систем в ходе их испытаний и эксплуатации, например, судов
Наверх