Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Витоге получим Z значений угловых полей зрения, при которых в поле зренияприбора попадает 2, 3,..., Z звезд. Результаты расчета программы сведены втабл. 4.10.Таблица 4.10. Минимальное значение угла поля зрения прибора,необходимое для наблюдения Z звезд до 5-й звездной величины, град.Звездная величина (mn)34,1057,5779,4801234516421111-4,032,309,742,389,6478991,339,055,228,910,6345674,829,884,266,458,7323338,199,362,283,774,5312221,533,555,326,047,281111Приведенная методика позволяет делать расчеты для произвольногоколичества звезд Z и любого значения звездной величины. Например, приориентации по трем звездам с учетом звезд до 5-й звездной величиныминимальное угловое поле зрения составит 15,32°, а при ориентации по двумзвездам 13,55°.4.9.5.

Зависимость угла поля зрения от условия исключения влияниясветящихся частиц на формирование изображенияПомимо алгоритмов распознавания, также важно предусмотретьпрограммнуюфильтрациюшумовыхсигналов,сигналовпомех,постyпaющиx на вход прибора ориентации КЛА.Проблема светящихся частиц сравнительно легко решается, если блескпланет много больше блеска самой яркой звезды Сириус (mn = -1,58), авидимыйблескчастицкосмическойпылименьшеблесказвезд,использующихся для ориентации. Согласно библиографическим данным [15,40, 41], блеск планет становится в несколько раз больше блеска самой яркойзвезды в том случае, когда планеты находятся в зените, например:Планетаmnна12,6Лу-аВенер-4,1Юпитер-2,4рсМа-1,9Из этого следует, что оптическую ось прибора ориентации КЛАнеобходимо ориентировать таким образом, чтобы она была направленастрого в противоположную сторону от Солнца.

В том случае все планеты,попадающие в поле зрения, будут ярко освещены и их сигнал можноотфильтровать от сигнала звезд.Для устранения влияния светящихся частиц на результаты ориентациинеобходимо обеспечить затененность пространства около входного зрачкаприбора. Это возможно в случае, если мы установим прибор напротивоположной от Солнца стороне КЛА и направим его оптическую ось отСолнца. В данном случае мелкие частицы пыли не будут освещатьсяСолнцем и не смогут создать проблему "ложных" звезд.Но подобное решение приведет к ограничению угла поля зрения (рис.4.9).Дальность действия прибора при заданных параметрах излучателярассчитывается по следующей формуле [40]:где L - дальность действия прибора, м; I - сила света частицы, кд; Aвх площадь входного зрачка прибора, пpи Dвх = 0,13 м, Aвх = 0,013273 м2; kр коэффициент использования фотоприемника по реальному потоку, дляспектрального класса G kр = 0,107; m - отношение сигнал/шум, m = 10; Фпор пороговый поток матрицы ПЗС, Фпор = 5 ∙ 10-14 Вт; kэ - коэффициентиспользования фотоприемника по эталонному излучателю, kэ = 0, 3.Сила света от светящихся частиц рассчитывается по формуле [35]:где ρ - диффузный коэффициент отражения, равный 0,3; E^ освещенность, создаваемая Солнцем вне атмосферы Земли, E^ =13,5 · 104 лк ;i - угол отражения, для получения максимального значения освещенностисветящейся частицы примем i = 0; d - диаметр светящейся частицы, м.Рис.

4.9. Схема расчета ограничения угла поля зрения ωзр отпоперечного размера КЛА H и дальности до светящихся частиц L.Из рис. 4.9 следует, что максимально допустимый угол поля зрения ωзрбудет рассчитываться какПо формулам (4.51)-(4.53) можно вычислить максимальный уголзрения прибора в зависимости от диаметра светящихся частиц и поперечногоразмера КЛА.Итак, проблема захвата в поле зрения и отслеживания планет и мелкихчастиц пыли может быть решена рациональным расположением прибораориентации КЛА.4.9.6. Зависимость фокусного расстояния от параметров матрицы ПЗСРасчетцелесообразнофокусногопроводитьрасстоянияобъективаисходяусловияизОЭПориентациисоответствияугловойпогрешности прибора и погрешности определения центра изображениязвезды:Расчет проводится для двух осей x и y. Фокусное расстояниепринимается равным меньшему из полученных f'x или f'y .Так как значения фокусного расстояния и угла поля зрения определяютплощадь плоскости регистрации изображения, а размер матрицы ПЗСограничен, то реализация одновременной съемки значительных по площадиучастков звездного неба может быть обеспечена расположением в плоскостирегистрации нескольких приемников изображения, что благодаря малымгабаритнымразмерамимассамматрицПЗСнедолжновызватьсущественных конструктивных ограничений.

Действительно, в результатереализации этого принципа съемки будут получены связанные системыкоординат изображения участков звездного неба, соответствующие полямзрения отдельных матриц ПЗС, в общем случае не смыкающиеся.Тогдагде Ω - площадь суммарного поля зрения, принимаемая как суммаплощадей полей зрения отдельных приемников изображения; Q - количествоприемников изображения; a, b - линейные размеры элемента приемникаизображения; q, n - количество элементов в напpавлении строк и столбцов.Данное условие ограничивает значение фокусного расстояния сверху,исходя из необходимости реализации такой площади суммарного полязрения, которая соответствовала бы условию регистрации в этом поленеобходимого для ориентации числа звезд.5.ПРИМЕНЕНИЕФОТОПРИЕМНЫХМАТРИЦВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ5.1.

Рекомендации по применению разновидностей ФПМ ПЗС5.1.1. Работа в различных областях спектра оптических излученийБлижний ИК-диапазон в ПЗС ограничивается справа (красная граница)длиной волны до 1,08 мкм благодаря ширине запрещенной зоны кремния. Надиапазон воспринимаемых длин воли также существенно влияют следующиефакторы:вФПМПЗСспрямымосвещениемзатворыизполикристаллического кремния отражают в ближнем ИК-диапазоне до 60 %излучения;в длинноволновой области значительнаячасть излученияпроходит сквозь кремний, не вызывая фотоэффекта. Толстые кремниевыеподложки > 50 мкм улучшают чувствительность, но при этом обычноуменьшается разрешение. Наилучшая чувствительность достигается в ФПМПЗС с утоньшенной подложкой и обратным освещением.При этом значение квантовой эффективности КЭ > 20 % на длиневолны 1 мкм;значение КЭ падает с понижением температуры.

Например, пикКЭ матрицы с антиотражательным покрытием и с обратным освещениемизменяется от 85 % при 20 °C до 65 % при -90 °C;в коротковолновой области кривая чувствительности падает донуля на длине волны 0,19 мкм из-за ограничений покрытия Si02.Следующие параметры влияют на характеристику в ультрафиолетовойобласти:поликристаллические затворы ограничивают чувствительность вкоротковолновой области в ФПМ ПЗС с прямым освещением на длине волны0,4 мкм;глубина обедненной зоны при обратном освещении ограничиваетсамую низкую длину до 0,25 мкм с антиотражательным (АО) покрытием.Чтобы работать в диапазоне от 0,19 до 0,4 мкм, поверхность ФПМ ПЗСпокрывают тонким слоем органического вещества, которое поглощаетультрафиолет и переизлучает в видимом диапазоне.

Но органическиепокрытия деградируют co временем, так как в ниx происходит отбеливаниепод действием ультрафиолета.В ФПМ ПЗС с обратным освещением синяя граница спектральнойхарактеристики сдвигается к более коротким волнам: от 0,4 до 0,26 мкм.Обратное освещение применяется, чтобы ограничить отражение от затворови поглощение затворами из поликристаллического кремния на лицевойповерхности ФПМ ПЗС. При этом толщина подложки утоньшается до 15мкм.Приналичииантиотражательногопокрытияхарактеристикасущественно улучшается. Например, значение пиковой КЭ доходит до 80 %вместо 40 %.

На длине волны 0,4 мкм КЭ повышается с 2 до 60 %, а на 1,0мкм - с 4 до 20 %.5.1.2. Квантовая эффективность матриц с виртуальной фазойТемновой заряд генерируется как в объеме, так и на поверхностикремния, а также на поверхности раздела между кремнием и окисьюкремния. В ФПМ ПЗС co схемой МВФ (матрица с виртуальной фазой)существенно уменьшен темновой заряд.

ФПМ ПЗС с МВФ имеетспециальные имплантанты под электродами и использует нетрадиционнуюсхему тактирования фаз, поэтому поверхностный заряд не накапливается втечение времени накопления. Поскольку большинство темновых зарядовгенерируется в поверхности подложки, общий темновой заряд резкоуменьшается. Эффективность МВФ зависит от параметров кремния,имплантанта и конструкции. Иногда темновой заряд уменьшается в 300...500раз.Недостаток МВФ состоит в уменьшении емкости ямы.

Это приводит куменьшению динамического диапазона и повышает вероятность растеканиязарядов. Влияние этого недостатка смягчается при использовании биннинга,когда емкость ямы сдвигового регистра и вывода расширяет динамическийдиапазон.В ФПМ ПЗС с МВФ темновой заряд составляет примерно 0,003 е/(ячейка ∙ с) (е- - электрон) при t = - 60 °С. Следовательно, ФПМ ПЗС стермоэлектрическим охлаждением могут применяться для большинстваприборов в различных отраслях, даже если требуется накопление в течениенесколькихчасов.Термоэлектрическиехолодильникипозволяютиспользовать как водяное охлаждение с замкнутой циркуляцией воды, так ивоздушное co встроенным вентилятором. Оба этих способа более просты вэксплуатации, чем дьюары с жидким азотом.При криогенном охлаждении (- 120 °С) темновой ток в типовых ФПМПЗС составляет от 0,2 до 0,5 е-/(ячейка ∙ ч). Следовательно, использованиеМВФ является избыточным и не рекомендуется при криогенном охлаждении.5.1.3.

Емкость потенциальной ямыЕмкость ямы определяется как максимальное количество электронов,которые могут быть собраны в одной потенциальной яме без учетарастекания зарядов. Различают три вида значений емкости ям: значение длясекции изображения, значение для горизонтального сдвигового регистра изначение для затвора предусилителя.Первое значение соответствует емкости ямы одиночной ячейки всекции накопления.

При размере электрода > 20 х 20 мкм типичная емкостьямы составляет от 400 до 750 тыс. электронов. Для ФПМ ПЗС с МВФ этозначение уменьшается до 120...250 тыс. Если размеры электрода < 10 х 10мкм2, то емкость составляет от 40 до 80 тыс. электpонов. Емкость ямы секцииизображения определяет динамический диапазон.Горизонтальный сдвиговый регистр имеет типичную емкость ямы от250 до 900 тыс.

электронов. Если используется биннинг вдоль регистра, тоемкость ямы сдвигового регистра определяет границы динамическогодиапазона. Например, если шум считывания составляет 5 электронов скз, аемкость ямы 900 тыс. электронов, то максимальный динамический диапазонбудет равен 900 000/5 = 180 000, т.е. 17,5 бит.

Характеристики

Список файлов лекций