автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы построения фокальной плоскости по Z-планарной технологии для оптико-электронных преобразователей

На правах рукописи

Тишин Александр Сергеевич

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ПО Ъ-ПЛАНАРПОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

005058375

Москва-2013

005058375

Работа выполнена на Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно исследовательский институт микроприборов -К» (г. Москва)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Сурин Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: Лаврищев Вадим Петрович

доктор технических наук, ГУЛ «НПЦ «СПУРТ», ведущий научный сотрудник

Крылов Михаил Витальевич кандидат физико-математических наук, ЗАО «НПО «Лептон», заместитель генерального директора по технологии, главный технолог Ведущая организация: Филиал Федерального государственного

унитарного предприятия «Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» - научно-производственное предприятие «Оптико-электронные комплексы и системы» (НПП «Оптэкс») г. Москва.

Защита диссертации состоится «¿4» -¿тсьЯ 2013 г. в /I часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 при Государственном унитарном предприятии города Москвы «Научно-производственный центр «СПУРТ» по адресу: 124460, г. Москва, Зеленоград, 1-Й Западный проезд, 4, ГУП НПЦ «СПУРТ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ». Автореферат разослан « ¿Оу> с,п,, г.* л_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, *

старший научный сотрудник Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с её огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных районов, так и страны в целом.

Данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата и др.

В настоящее время среди средств дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК диапазонов спектра. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.

Отдельный класс средств дистанционного зондирования составляют так называемые малые космические аппараты (МКА) ДЗЗ, в который входят так называемые миниспутники. Современная элементная база позволяет сделать их вес от 100 кг до 500 кг при практически полном сохранении функциональности, присущей аппаратам с массой порядка 1 т.

Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в

общей совокупности привлекаемых средств. Наиболее активно развивается направление миниспутников оперативного наблюдения, так как их разработка и выведение на орбиту обходится сравнительно дешево. Сроки эксплуатации таких систем меньше чем у больших космических аппаратов, соответственно существует тенденция их постоянного совершенствования. Особенности конструкции обуславливают использование легкой, эргономичной и максимально информативной целевой аппаратуры. Одним из основных устройств, обеспечивающих качество и объем получаемой информации являются используемые в оптоэлектронные преобразователи (ОЭП) фотоприемные модули (ФПМ), однако существующая степень их интеграции не позволяет получить требуемую полосу захвата и пространственное разрешение, задаваемые современными требованиями информативности систем.

Отсюда возникает необходимость и актуальность создания метода получения плотноукомпонованной фокальной сборки из доступных ФПМ как в корпусном, так и бескорпусном исполнениях посредством оптического совмещения их фоточувствительных областей без потери информации в области их стыковки. Использование данного метода позволит повысить эффективность средств ДЗЗ.

Данной проблемой широко занимались ведущие организации России и других стран. Результаты разработок внедрены в такие системы как PLEIADES (Франция), Spot (Франция совместно с Бельгией и Швецией), Канопус, Ресурс-ДК (Россия), THEOS (Таиланд) и многие другие, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи и книги. Однако, разработанные решения были большей частью направлены на большие и средние космические аппараты. Данные разработки предусматривают высокие требования к стабилизации движения спутника и, как следствие, практически неприменимы для миниспутников.

В составе аппаратуры миниспутников используются одиночные ФПМ и повышение информативности в части увеличения полосы захвата происходит

благодаря использованию ФПМ большего формата в целевой аппаратуре последующих модернизаций моделей спутников.

Увеличение формата ФПМ можно достичь уменьшением составных элементов, увеличением площади подложки либо одновременным выполнением обоих условий. Сегодняшний уровень технологии изготовления ФПМ практически достиг минимальных размеров составных элементов на подложке и максимальных размеров самих подложек. Кроме того получение структур высокой размерности (более 50 мегапикселей в единой структуре) имеет низкую надежность и высокую стоимость из-за трудности достижения однородных параметров по всей фотоприемной области.

ФПМ большого формата можно заменить эквивалентной сборкой из нескольких модулей меньшего формата, которая будет более высокой по надежности, менее дорогой и более доступной с точки зрения поставки комплектующих.

Таким образом, научно-техническая проблема, которая решается в данной работе заключается в разработке метода построения фокальной плоскости оптико-элекгронных преобразователей (ОЭП) с оптическим совмещением активных областей (АО) ФПМ посредством прямой отражающей призмы без потерь информации в зоне оптической стыковки для систем размещаемых на мини- и микроспутниках.

Объектом исследования является ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон сенсоров посредством прямых отражающих призм, собранные в единую фокальную сборку.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкция ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон ФПМ посредством прямых отражающих призм, собранных в единую фокальную сборку.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы создания ОЭП с оптическим совмещением АО ФПМ без потерь

информации в зоне стыковки для систем миниспутников ДЗЗ. Совокупность теоретических, научно обоснованных технических решений, конструкторско-технологических основ проектирования и реализация устройств может внести значительный вклад в развитие экономики страны и повышение её обороноспособности.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ проблем, решаемых современными техническими средствами ДЗЗ на базе МКА с точки зрения пространственного разрешения и полосы захвата. Исследованы используемые на сегодняшний день методы сборки фокальных плоскостей;

2. Обоснована возможность оптического совмещения активных областей ФПМ без потерь информации в области оптической стыковки;

3. Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по г-планарной технологии;

4. Разработан метод восстановления целостной информации в области оптической стыковки с учетом характеристик существующей электронной компонентной базы;

5. Разработана базовая конструкция ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ;

6. Разработан алгоритм юстировки ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ, обеспечивающий повышение технологичности при производстве;

7. Спроектированы и изготовлены опытный образец ОЭП, юстировочный стенд и сопутствующее программное обеспечение, обеспечивающее контроль параметров совмещения и восстановление информации в области оптической стыковки;

8. Сопоставлена математическая модель оптического совмещения с экспериментальными данными опытного образца ОЭП.

Методы исследований.

При проведении исследований в диссертационной работе использовался математический аппарат, основанный на классических методах линейной алгебры, планиметрии и линейной оптики, методы компьютерного моделирования и проектирования научного эксперимента. Использовался метод экспертных оценок.

Научная новизна.

1. Предложена конструктивная модель ОЭП, позволяющая значительно сократить габариты при сохранении основных оптических параметров ОЭП;

2. Предложен метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы;

3. Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по г-планарной технологии;

4. Предложена модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;

5. Разработаны принципы методики юстировки ОЭП, обеспечивающие повышение технологичности при производстве.

Основные научные результаты и положения выносимые на защиту.

1. Метод проектирования ОЭП смотрящего и сканирующего типа по методу оптического совмещения активных областей ФПМ.

2. Метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы

3. Модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;

4. Математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по Ъ-планарной технологии;

5. Принципы методики юстировки и контроля параметров ОЭП, созданного по методу оптического совмещения активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы.

Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы.

1. Проведена разработка конструкции и технологии изготовления ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ без потерь информации в зоне стыковки для систем МКА ДЗЗ;

2. Предложен принцип построения ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ обеспечивает значительное снижение массогабаритных характеристик прибора при сохранении тактико-технических параметров;

3. Реализована схема многовыводного ОЭП увеличивающая скорость считывания информации и увеличивающая его надежность.

4. Показана возможность увеличения полосы захвата ОЭП без ухудшения разрешающей способности при использовании специализированных сенсоров.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается

- Комплексностью проведенных исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;

- Многократной экспериментальной проверкой теоретических результатов;

- Обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях, а также экспертизой заявки на изобретение.

Реализация результатов работы Результаты диссертационной работы в виде:

- метода построения фокальной сборки ОЭП с реализацией опытного образца по разработанной конструкторской и технологической документации;

- методике юстировки и контроля параметров ОЭП, созданных по предложенному способу построения фокальной сборки; программного обеспечения контроля качества сборки ОЭП с последующим восстановлением целостности информации в области оптической стыковки

Результаты работы внедрены на предприятии ФГУП «НИИМП-К» г. Зеленоград, что подтверждается актом внедрения. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях:

- «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике. VII международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России», Королев, Московская область, «ИПК Машприбор», 2009г

- «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике. VIII международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России», Королев, Московская область, «ИПК Машприбор», 2010г.

«Зеленоград - Космосу», Москва, МНТОРЭС им. Попова, филиал ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ - ПРОГРЕСС» - «НПП «ОПТЕКС», 2011г.

- «Микроэлектроника и информатика-2012. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов», Москва, МИЭТ, 2012г.

Публикации по теме диссертации составляют 10 печатных работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций и 3 публикации тезисов и докладов. С единоличным авторством опубликовано 5 печатных работ. Получен патент РФ на изобретение.

Личный вклад.

Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 130 страниц, включая 74 рисунка, 5 таблиц и библиографию из 67 наименований, из которых работы автора составляют 10 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность темы исследований, сформулированы цель и задача диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту, определяется структура и объем диссертационной работы.

В первой главе рассмотрена тенденция развития космических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которая идет в направлении увеличения формата фокальной плоскости оптоэлектронной аппаратуры, как одного из факторов повышения информативности оптических систем в расширенном спектральном диапазоне (от УФ до дальнего ИК). Количество фоточувствительных элементов в строке должно составлять тысячи и десятки тысяч единиц. Формат АО существующих сенсоров (линейных и матричных), в частности, ИК диапазона, не удовлетворяет этим требованиям, поэтому фокальная плоскость заполняется регулярным набором массива сенсоров как в корпусном, так и в бескорпусном исполнениях. При этом возникают проблемы в обеспечении непрерывности поля захвата изображения без потерь информации в областях стыковки активных зон сенсоров. Эти проблемы решаются по-разному в зависимости от способа съемки и регистрации информации. Съемка может проводиться в сканирующем, либо в кадровом режимах.

В сканирующем режиме необходимо обеспечение сплошной полосы захвата местности фоточувствительными элементами в направлении перпендикулярном вектору движения спутника.

Непрерывная полоса двумерного изображения формируется за счет движения спутника при последовательном опросе строк элементов линейных сенсоров.

Непрерывная полоса захвата местности может быть реализована путем расположения линеек и матриц сенсоров в шахматном порядке. При этом строки линейных сенсоров, а в случае режима ВЗН (временная задержка и накопления заряда) - строки матриц, располагаются перпендикулярно

направлению сканирования. Поскольку АО сенсоров в фокальной сборке находятся на некотором расстоянии друг от друга, которое может составлять несколько миллиметров, при восстановлении изображения возникают проблемы с его качеством в области стыковки строк сенсоров, связанных как с оптикой, так и со степенью стабилизации летательного аппарата по курсу движения.

Эти проблемы могут быть решены прямой стыковкой сенсоров в один ряд, однако данная сборка имеет разрывы между активными областями ФПМ от нескольких единиц элементов до нескольких десятков, в зависимости от качества изготовления. Удовлетворительные результаты стыковки торцов могут бьггь получены вынесением в сторону кристаллов мультиплексора. Данный подход был реализован для линейных сенсоров на основе HgCdTe для среднего и дальнего ИК диапазонов, и на основе InGaAs для ближнего ИК. Фокальная плоскость представляет собой сборку встык десяти линейных сенсоров по 300 элементов в каждом и реализована на аппаратуре французского спутника SPOT 4.

Для регистрации информации в спектральном диапазоне, обеспечиваемым ФПМ на основе кремния, на этом спутнике использовался метод оптического совмещения активных зон сенсоров с помощью полупрозрачного зеркала. Фокальная плоскость построена из четырех ФПМ, содержащих по 1500 элементов в строке. Половина мощности проходящего информативного излучения поступает на нечетные ФПМ, а половина мощности отраженного от зеркала излучения поступает на четные номера сенсоров. Таким образом, обеспечивается непрерывность полосы захвата, но при условии 50% потери освещенности фокальной плоскости. Данная потеря может бьггь частично скомпенсирована использованием режима ВЗН. Этот же подход используется в мультиспектральной аппаратуре спутников серии PLEIADES (Франция). Недостатком данного подхода является технологическая сложность изготовления полупрозрачных зеркал в части поглощения энергии,

эквивалентности отражения и пропускания, а также равномерности выше указанных параметров по всей области зеркала.

В режиме кадровой съемки местности двумерное изображение экспонируется на активную зону матричного сенсора (или набор сенсоров), состоящую из строк и столбцов фоточувствительных элементов. В этом случае сборка фокальной плоскости должна обеспечить совмещение активных зон сенсоров без потерь информации по обеим координатам.

В этом режиме одномоментно регистрируется двумерное изображение, поэтому проблема потери информации в области стыковки активных зон сенсоров по обеим координатам стоит более остро. Формат современных матричных сенсоров на основе кремния достигает десятки мегапикселей (мегапиксель это 106 фоточувствительных элементов), поэтому в ряде случаев достаточно одной микросхемы для решения практических задач ДЗЗ. Сенсоры ИК диапазона имеют формат на несколько порядков меньше, отсюда, возникает необходимость разработки технологий сборки больших фокальных плоскостей с обеспечением непрерывной площади захвата местности. Примером таких технологий являются Z-технологии, разработанные несколькими фирмами США, например, Grumman Aerospace, Rockwell International, Irvine Sensors. Субмодули Grumman Aerospace представляют собой многослойную структуру из керамических плат различного функционального назначения. На торцевой грани структуры монтируются восемь диодных матриц из CdHgTe размером 8x256 элементов. Кристаллы для обработки сигнала монтируются в углублениях плат и электрически связаны, как с выводами фотодиодов, так и с выводами объединительной панели модуля. В каждый такой кристалл поступают сигналы от 64 фотодиодов. В процессе обработки сигналов выполняются операции предварительного усиления, фильтрации, подавления шумов, а также мультиплексирования 2048 каналов.

Приборы, построенные по данной технологии, полностью отсутствуют в российской промышленности, а также ограниченно используются за рубежом

из-за чрезмерной сложности производства и, как следствие, высокого уровня брака.

Следует также отметить, что последние тенденции в мире и в России, в частности, направлены на построение ОЭП, регистрирующих информацию в узких спектральных диапазонах. К сожалению, специализированные ФПМ сегодня имеют ограничение по интеграции элементов и не способны удовлетворить предъявляемым требованиям к разрешающей способности и полосе захвата как в случае использования единичного ФПМ, так и при использовании их в указанных выше методах сборок фокальных модулей в ОЭП ДЗЗ. Отсюда следует необходимость разработки метода оптического совмещения без потерь информации в области стыковки с учетом использования специализированных сенсоров как базового конструктивного компонента.

Выводы по первой главе:

1. Существует тенденция к увеличению формата фокальной плоскости оптоэлектронной аппаратуры.

2. Существующие методики увеличения формата фокальной плоскости либо технологически сложны для уровня российского производства, либо технически неэффективны применительно к МКА.

3. В кадровом режиме задача увеличения формата фокальной плоскости стоит особенно остро.

4. Необходимо простое и высокотехнологичное техническое решение для удовлетворения текущих требований к построению фокальной плоскости сканирующих и смотрящих систем

Во второй главе предлагается решение для увеличения информативности систем ОЭП МКА ДЗЗ на базе г-планарной технологии.

Предлагаемое решение по построению фокальной сборки основано на том, что ФПМ, схемы управления и обработки сигнала размещаются на одной плоскости общей подложки с выполненной на ней схемой коммутации, которая ориентирована вдоль направления излучения (Ъ - направление), или под

некоторым углом к нему. Непосредственно перед матрицами расположены плоские зеркала, обеспечивающие нормальное падение излучения на фоточувствительные элементы. Идея предлагаемого решения иллюстрируется на Рисунке!.

Ъ- направление

крнстали многозлементного фотопрнсмннкн

Схемы управления н обработки сипшга

Рисунок ]. Принцип 7-планарной технологии На общей подложке размещены кристалл многоэлементного приемника и схемы управления и обработки сигналов. Подложка сориентирована под некоторым углом а по отношению к падающему излучению, которое распространяется в 7, направлении. Под углом (3 к плоскости фоточувствительных элементов располагается плоское зеркало. Для обеспечения нормального падение излучения на фоточувствительные элементы соотношение между аи/З жестко детерминировано:

а =2/3-п/2, О </3 <ж /2.

Для частного случая, когда (3 =45° , угол а =0, что соответствует ситуации, когда подложка расположена строго в 2-направлении. Этот случай является практически самым оптимальным с точки зрения компактности Ъ-

модуля. Допустимость использования угла, отличного от 45°, может быть связана, например, с применением плоскости зеркального отражения, выполненной на торце кремниевой подложки путем анизотропного травления кремния. Поскольку размещение всех элементов модуля осуществляется на единой подложке (планарный вариант исполнения гибридной сборки), а подложка располагается в Ъ- направлении, предложенный способ построения модуля ОЭП логично назвать 2-планарчой технологией. Данная подход имеет очевидное преимущество по сравнению с классической 2-технологией, так как планарная сборка модуля более технологична. Показанная на рисунке б конструкция является базовым субмодулем для построения различных вариантов фокальных плоскостей.

Объектив

Сенсор 1

Схемы управления и обработки сигнала

Б)

Сенсор 2

Рисунок 2. 2-модуль с расщепляющей зеркальной призмой.

а) отражение без расщепления информации;

б) отражение с расщеплением информации. Предлагается ряд конструктивно-технологических решений по

оптическому совмещению активных областей фотоприемных сенсоров

различного типа. Рассмотрены варианты построения ОЭП фокальной плоскости с оптической стыковкой АО сенсоров для смотрящих и сканирующих систем. Из предложенных решений выбран оптимальный вариант для исследования, а именно 2-модуль для смотрящей системы, показанный на рисунке 3.

Сенсор 1

Сенсор 2

Ребро

зеркальной

призмы

А)

Рисунок 3. Схема построения фокальной плоскости на основе 2-модуля с оптическим совмещением для кадровых систем.

А) расположение сенсоров в г-модуле (вид сверху);

Б) расположение совмещенных сенсоров в фокальной плоскости.

Отметим, что оптическая информация после отражения от граней призмы попадает на АО сенсоров, причем в некоторой области оптической стыковки эта информация расщепляется, то есть часть ее попадает на один сенсор, а оставшаяся часть на другой сенсор. Учитывая, что призма сделана из однородного материала, а отражающие грани выполнены в едином технологическом цикле можно заключить, что доля энергии, приходящаяся на поглощение и рассеяние будет идентичной и не внесет искажений в общую картину. В результате в области расщепления на обоих сенсорах будет представлена одинаковая информация с некоторым закономерным падением яркости, рассчитанным в работе. В процессе теоретического расчета закономерности распределения световой энергии по активной области ФПМ была выведена формула, показывающая долю получаемой энергии от

Фокальная плоскость

наблюдаемого источника, приходящуюся фоточувствительный элемент ФПМ:

на соответствующий

Я = Я ^агссоз

(1)

Где Б(х) - Доля энергии, приходящаяся на пиксель х при наблюдении объекта, Я - радиус пятна сходимости.

Скорость изменения данной закономерности зависит от апертуры объектива, поэтому в работе рассматривались несколько вариантов апертур для выбора оптимальной (рис 4.).

Номер пикселя, линейный размер 7,4 мкм Рисунок 4. Относительное падение яркости в области расщепления для различных апертур.

Из графиков видно, что при меньших апертурах разница в доле энергии на соседних элементах будет менее резкой, чем на больших, однако необходимо учесть область, занимаемую регистрацией расщепленной энергии, приходящуюся на активную область ФПМ.

Для оценки размерности области расщепления была выведена формула, отражающая ее продолжительность относительно апертуры объектива:

но

Ьй =

Р-Н

(2)

где Ь<1 - ширина области расщепления, О - диаметр входного отверстия, р- фокусное расстояние, Н - расстояние от ребра призмы до фокальной плоскости.

Следует заметить, что ширина области выражена в миллиметрах, что затрудняет объективную оценку области расщепления относительно АО ФПМ. Для оценки используется приведенный ниже график, показывающий область расщепления от общей площади АО ФПМ в процентном отношении, основанный на рассчитанных значениях по формуле (2):

Значение апертуры

Рисунок 5. Соотношение области расщепления к общей площади АО ФПМ в зависимости от апертуры объектива.

В работе обоснована и математически подтверждена необходимость выбора оптимальных апертур, поскольку с одной стороны при выборе малого относительного отверстия уменьшается область расщепления, но увеличивается перепад яркости между двумя соседними элементами, что может привести к частичной или полной потере информации в области оптической стыковки.

В результате проведенных расчетов можно утверждать, что информацию в области оптической стыковки молено восстановить двумя способами:

Сложением величины сигнала соответствующих регистрируемой точке элементов обоих ФПМ в области расщепления информации (ее повторения на

обоих сенсорах с различными яркостями), показанными на рисунке 6 под номером 3 или внесением поправочных коэффициентов восстановления, для каждого сенсора отдельно по областям 1 и 2, соответственно, при этом часть сигнала с меньшей яркостью, попадающий на противоположный сенсор не учитывается.

3

Рисунок 6. График падения яркости оптически совмещенных ФПМ.

На рисунке 6 представлен график падения яркости на обоих ФПМ, при наблюдении однородной картины, показывающий соотношение доли энергии приходящейся на соответствующие элементы ФПМ.

По полученным данным и разработанным математическим моделям был сформирован программный комплекс эмитирующий работу прибора для отработки последующего восстановления информации в области оптической стыковки.

В случае сложения соответствующих величин сигналов сужается полоса захвата, однако восстановление информации упрощено и является более достоверным, поскольку суммируются значения яркости соответствующих элементов АО сенсоров. Этот метод более предпочтителен для систем, работающих в режиме ВЗН, однако для кадровых систем и режимов работы с малой экспозицией методика не является оптимальной по размерности полосы захвата и качеству сигнала в областях близких к оптической стыковке.

В случае использования поправочных коэффициентов нет элементов, приходящихся на восстановление путем суммирования значений, а, значит, полоса захвата будет шире по сравнению с первым методом на величину, равную по размеру ширине области расщепления. Восстановление информации в данном случае ведется путем умножения на матрицу поправочных коэффициентов, которая может быть получена как теоретически из формулы (1), так и практически самим прибором при наблюдении однородного монотонного поля с последующей регистрацией значений величины сигнала по всей АО ФПМ. Данная методика рекомендуется для кадровых систем и систем с малой экспозицией и является технологически более простой за счет снижения требований к качеству совмещения. По главе 2 сделаны следующие выводы:

1. Предложена схема реализации модуля по г-планарной технологии для смотрящих систем.

2. Теоретически обоснованы оптические эффекты в области оптической стыковки АО матричных сенсоров

3. На основании расчетов размеров и характера области расщепления выбраны апертуры объективов, рекомендуемые для проектируемого ОЭП.

4. По полученным данным можно заключить, что 2-планарная технология и модули, построенные по ее принципу, могут быть использованы в системах ДЗЗ низкого и среднего разрешения со сверхширокими областями захвата.

5. Предложена методика восстановления оптической информации в области оптической стыковки

6. Рассмотрены влияния различных шумов на результирующее изображение

В третьей главе рассмотрены разработанные методы измерений и исследований г-модуля. Приводится принцип построения конструкции.

Раздел 3.1 посвящен разработке методики юстировки модуля в соответствии с идеологией построения прибора, приведенного в главе 2.

Определена методика построения юстировочного стенда с учетом особенностей пространственных передвижений .АО сенсоров в процессе юстировки.

Проведен расчет точности подач при использовании различных вариантов сенсоров в качестве базовых компонентов конструкции.

В разделе 3.2 описывается один из вариантов реализации конструкции модуля, идеология которого рассматривалась в главе 2. В соответствии с идеологией юстировки разработана конструкция модуля. Обусловлены различные конструкторские решения.

В разрабатываемой конструкции целесообразно использовать прямую отражающую призму, где световой информационный поток проходит внутри оптической среды материала призмы. Данный вариант отличается от сопряжения плоских зеркал тем, что существенно упрощает процесс юстировки за счет исключения перечня степеней свободы взаимного перемещения сенсоров и самих зеркал.

Раздел 3.3 посвящен интерпретации результатов в процессе юстировки модуля. В процессе изготовления различных конструктивных узлов возможно некоторое отклонение от номинальных размеров или же влияние внешней среды на прибор в целом. В данном разделе описываются различные оптические эффекты, связанные с воздействиями на прибор или качеством изготовления отдельных узлов.

В разделе предложена методика юстировки методом последовательного приближения, позволяющая получать повторяемые результаты, опираясь на контрольные измерительные операции, связанные с интерпретацией получаемой информации. Методика предусматривает проведение ряда контрольно измерительных мероприятий для оценки и достижения юстировки заданной точности.

Раздел 3.4 описывает аппаратно-программный комплекс юстировки модуля, созданный на основе разработанных ранее принципов построения конструкции ОЭП. Рассматривается, разработанное на основе интерпретации результатов и математических моделей программное обеспечение (ПО) для контроля параметров в процессе юстировки.

Результат проектирования юстировочного комплекса с установленным в него ОЭП представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Юстировочный стол с установленным на него ОЭП.

В разделе 3.5 описывается разработанный алгоритм сборки и юстировки модуля. После разработки конструкции модуля и юстировочного стола, встраиваемого в юстировочный стенд контроля параметров, был разработан алгоритм последовательного приближения к идентичным результатам совмещения АО ФПМ с последующим восстановлением информации в зоне оптической стыковки для мелкосерийного производства ОЭП, построенным по 2-планарной технологии.

Начало

ы

Установка модуля без матриц

Установка котировочной матрицы

I

Установка соосности Установка призмы

Демонтаж котировочной матрицы

* На этапе 1 юстирогии принято что оптические оси модуля и котировочного стенда

совпадаю^ соответственно центральный элемент миры должен со впадать с центральной строкой матрицы

Фиксация вертикальных лоюа.

Рисунок 8 Алгоритм юстировки модуля

Алгоритм представлен на рисунке 8, он делится на три основных этапа:

1. Настройка стенда с установленным модулем

2. Юстировка первого сенсора (выбирается произвольно) относительно системы объектив-призма

3. Юстировка второго сенсора относительно системы объектив-призма-первый сенсор.

Алгоритм позволяет однозначно интерпретировать получаемые в процессе юстировки данные и определяет дальнейшие шаги оператора с целью получения повторяемых характеристик приборов. По главе 3 сделаны следующие выводы:

1. Проведен анализ и предложена методика построения модуля с оптическим совмещением АО фоточувствительных сенсоров

2. Сделаны необходимые расчеты по точности юстировочных подач, а также разработана оригинальная конструкция юстировочного манипулятора и юстировочного комплекса в целом

3. Разработана оригинальная методика юстировки модуля

4. Разработан аппаратно-программный комплекс контроля параметров модуля в процессе юстировки

5. Разработан алгоритм юстировки и контроля параметров модуля

В четвертой главе диссертационной работы описано поведение прибора и юстировочного стенда, созданных по материалам главы 3 в процессе юстировки и последующей эксплуатации прибора в лабораторных условиях.

После разработки алгоритма, представленного на рисунке 8 и описанного в главе 3, время юстировки и отладки прибора сократилось в 8-10 раз, по сравнению с юстировкой по видовым картинам и мирам (специальные тестовые изображения), где система сенсоров относительно призмы и объектива юстировались независимо.

В процессе сборки и юстировки прибора были внесены незначительные конструктивные изменения в части крепления призмы, после чего конструкция стала более жесткой, однако увеличила свою массу на 50 грамм. В результате

модуль ОЭП после сборки и юстировки обладает следующими техническими характеристиками:

Параметр Значение

Масса без объектива 2 кг

Масса с объективом 3,5кг

Потребляемый ток 300 мА

Напряжение питания 12В

Габариты без объектива 140(Д) 140(111) 100(В)

Габариты с объективом 140(Д) 140 (Ш) 355(В)

Суммарная длина строки 9800 пикселей

Высота столбца 3280 пикселей

Размер кадра 30 МП

Возможное число шагов в режиме ВЗН 2-10

Возможное число зон единовременной съемки в режиме ВЗН 4

В процессе работы прибора были подтверждены ранее полученные теоретические закономерности градиента спада энергии в области оптической стыковки, который показан на графике 9.

0,6

£ 0,4

О

0,2

, 45 ';.........

ЧЧ

ЧЧ,

Номер элемента строки сенсора

Рисунок 9. Относительная яркость по строке матричного сенсора (черный) и теоретическая кривая спада яркости (белый).

После сборки и юстировки, а также подтверждения ранее выведенных закономерностей спада яркости практически доказана возможность оптического совмещения АО ФПМ без потерь информации в области оптической стыковки.

Выводы по главе 4

1. Впервые в России разработан действующий образец модуля с оптическим совмещением фоточувствительных зон по г-планарной технологии

2. Проверена и отработана методика юстировки с использованием оригинального программно-аппаратного комплекса

3. На примере видовой съемки, произведенной 7-модулем, показана возможность регистрации информации без потерь информации в области оптической стыковки

4. Выработаны требования к производству оптических составляющих ОЭП, а также предложен альтернативный вариант их конструкции

5. Технико-экономический эффект от проведенных автором работ достигается за счет:

- Сокращения трудоемкости сборки и юстировки модулей

- Реализации модулей с повторяющимися параметрами

- Использования сенсоров массового производства в качестве базового конструктивного компонента

В заключении освещены полученные в диссертации научные и практические результаты и указаны наиболее перспективные, на взгляд автора диссертации, направления продолжения работ в части совершенствования технологии и практического применения методики в узких оптических диапазонах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований получены научнообоснованные технические решения, не противоречащие основам промышленных технологий микроэлектроники, позволяющие путем эффективного заполнения фокальной плоскости увеличить полосу захвата ОЭП для МКА.

В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Обоснована возможность оптического совмещения активных областей ФПМ без потерь информации в области оптической стыковки;

2. Предложен метод оптического совмещения АО ФПМ для систем сканирующего и смотрящего типа, названный г-планарной технологией;

3. Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по 2-планарной технологии;

4. Разработан метод восстановления целостной информации в области оптической стыковки ФПМ, собранных в единую фокальную сборку по Ъ-планарной технологии, с учетом характеристик существующей электронной компонентной базы;

5. Разработана базовая конструкция ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ по Z-плaнapнoй технологии;

6. Разработан алгоритм юстировки ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ по г-планарной технологии, обеспечивающий повышение технологичности при производстве;

7. Спроектированы и изготовлены опытный образец ОЭП (2-модуль), юстировочный стенд и сопутствующее программное обеспечение, обеспечивающее контроль параметров совмещения и восстановление информации в области оптической стыковки ФПМ по г-планарной технологии;

8. Сопоставлена математическая модель оптического совмещения с экспериментальными данными опытного образца ОЭП (г-модуля).

Внедрение результатов диссертационной работы может внести значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

1. Тишин A.C. «Z-планарная технология - новый подход к построению фокальной плоскости оптических информационных систем» // Глобальный научный потенциал, № 7(16), 2012 г - с. 66-71

2. Тишин A.C. «Методика восстановления информации панорамного снимка, полученного модулем по Z-планарной технологии» // Системы управления и информационные технологии, №2.2(48), 2012г-с.299-302

3. Тишин A.C. «Z-модуль на основе расщепляющей призмы» // Перспективы науки, № 7(34), 2012 г - с.73-77

Материалы международных конференций

4. Е.П. Кокин, Ю.В. Сурин, A.C. Тишин «Z-модуль с оптическим совмещением матричных сенсоров» Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике. VIII международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России: сборник материалов (часть I). Королев, Московская область: изд-во НОУ ДПО «ИПК Машприбор», 201 Ог, 108 с. с.66-68

Авторские свидетельства и патенты

5. Сурин Ю.В., Петручук И.И., Нечипоренко B.C., Львова Н.М., Тишин A.C., Виговская Т.В., Сурин М.Ю. МДП-варикап. Патент на изобретение №2447541 от 10.04.2012г.

Статьи

6. Тишин A.C. «Методика восстановления информации панорамного снимка с Z-модуля» // Информационные технологии моделирования и управления, № 4(76), 2012 г. - с. 316-321

Материалы конференций и семинаров

7. Е.П. Кокин, А.С.Тишин «Оптические методы построения фокальной плоскости информационных космических систем» Зеленоград - Космосу:

Материалы научной конференции - М.: МНТОРЭС им. Попова, филиал ФГУП «ГНП РЩ «ЦСКБ - ПРОГРЕСС» - «НПП «ОПТЕКС», 2011г, 142с. с.118-123

8. A.C. Тишин «Моделирование массива поправочных коэффициентов для восстановления панорамного снимка» Микроэлектроника и информатика-2012. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов М.: МИЭТ.2012 г -324с. с.122

Научно-технические отчеты по НИОКР

9. Разработка и изготовление конструкционных узлов Z- модуля и изготовление оптического измерительного стенда. Изготовление и проведение лабораторных испытаний макетного образца Z-модуля. Научно-технический отчет по НИР «Скань-Z». /Тишин A.C. — исполнитель, ФГУП «НИИМП-К», Москва, 2007 г, Гос. Регистр. № Ф40550

10. Разработка технологии изготовления мультиспектрального Z-модуля ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных матриц для сканирующих космических информационных систем. Научно-технический отчет по ОКР «Сестерция». /Тишин A.C. - исполнитель, ФГУП «НИИМП-К», Москва, 2009-2011 гг, Гос. Регистр. № У90627

Гарнитура Times Печать -ризография Формат А5. Тираж 100 экз. Отпечатано в типогрфии ЗАО ЦМИ «Спектр» Подписано в печать 11.04.2013

ГУП НПЦ «СПУРТ»

На правах рукописи

Тишин Александр Сергеевич

04201357549

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ПО г-ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, Сурин Ю. В.

Москва - 2013

Список принятых сокращений

АО - активная область

ИКС - информационная космическая система

ПЗС - прибор с зарядовой связью

ФПМ - фотоприемный модуль

ЦА - целевая аппаратура

ЧКХ - частотно контрастная характеристика

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

TDI - time delay integration

USB - universal serial bus

MKA -малые космические аппараты

ПО -программное обеспечение

ВЗН -временная задержка и накопление (режим съемки) ЧС - чрезвычайные ситуации

Оглавление

Список принятых сокращений...............................................................................2

Введение...................................................................................................................7

Глава 1. Анализ современного уровня научно-технического задела в области разработки оптических информационных космических систем наблюдения на базеМКА...........................................................................................................17

1.1. Определение МКА..........................................................................................17

1.1.1. Преимущества МКА..................................................................................18

1.1.2. Направления развития МКА.....................................................................20

1.1.3. Область применения МКА.......................................................................20

1.1.4. Создание космических систем на базе МКА..........................................21

1.1.5. Перспективные проекты...........................................................................25

1.2 Способы наблюдения и организация фокальной плоскости оптических информационных систем......................................................................................28

1.2.1 Сканирующие системы..............................................................................28

1.2.2 Кадровые системы......................................................................................31

1.3 Способы организации фокальной плоскости...............................................32

1.3.1 Шахматный порядок..................................................................................33

1.3.2 Планарно-гибридная технология без оптико-механических составляющих......................................................................................................35

1.3.3 Ситемы на призме Ог/оН...........................................................................37

1.3.4 Системы с оптическим совмещением......................................................38

1.3.5 Системы с несколькими объективами......................................................39

1.3.6 Z-нaпpaвлeниe.............................................................................................43

Выводы по главе 1.................................................................................................49

Глава 2. Разработка аппаратного и программного обеспечения работы Z-

модуля.....................................................................................................................50

2.1. Выбор и обоснование оптимальных конструктивно-технологических решений по построению фокальной плоскости.................................................50

2.2. Ъ - планарная технология - новый подход к построению фокальной плоскости оптических информационных систем...............................................50

2.2.1. Ъ- модуль для смотрящих систем............................................................52

2.2.2. Ъ- модуль для сканирующих систем.......................................................54

2.3. Z - планарный модуль для смотрящей информационной системы..........60

2.4. Эффект расщепления оптического информационного потока в прямой зеркальной призме.................................................................................................63

2.4.1. Оценка характера полосы расщепления..................................................64

2.4.2. Размерность полосы расщепления...........................................................68

2.4.3. Компьютерное моделирование эффекта расщепления..........................70

2.5. Методы восстановления информации..........................................................72

2.5.1. Система с полным расщеплением потока...............................................72

2.5.2. Система с частичным расщеплением потока.........................................73

2.6. Частотно-контрастная характеристика.........................................................73

2.7. Оценка уровня сигнал/шум при восстановлении информации.................76

2.7.1. Система с полным расщеплением потока...............................................77

2.7.2. Система с частичным расщеплением потока.........................................78

Выводы по главе 2.................................................................................................79

Глава 3. Разработка методов измерений, исследований и конструкции ОЭП.80 3.1. Метод юстировки ОЭП..................................................................................80

3.1.1. Обоснование степеней свободы составных частей ОЭП......................80

3.1.2. Требования к механическим составляющим юстировочного стенда..81

4

3.2. Конструкция модуля......................................................................................84

3.2 Технологические требования к элементам оптического тракта.................88

3.2.1. Шероховатость поверхности, дефекты ребра призмы..........................88

3.2.2. Геометрия ребра призмы..........................................................................88

3.3. Интерпретация результатов в процессе юстировки модуля......................90

3.3.1. Котировочные миры.................................................................................93

3.3.2. Юстировка модуля по массивам элементов сенсоров...........................95

3.3.3. Тонкая юстировка......................................................................................96

3.4. Аппаратный комплекс юстировочного стенда............................................97

3.4.1. Отдельные узлы юстировочных манипуляторов...................................97

3.4.2. Сведение полученных результатов в аппаратно-программный комплекс юстировки модуля..............................................................................98

3.5. Алгоритм методики юстировки модуля.....................................................100

Выводы к главе 3.................................................................................................103

Глава 4. Исследование характеристик 2-модуля.............................................104

4.1 Оценка характера полосы расщепления......................................................104

4.2 Оценка размерности полосы расщепления.................................................106

4.3 Функция передачи модуляции.....................................................................106

4.4 Оценка уровня сигнал/шум при восстановлении информации................108

4.4.1. Динамика изменения шумов при длительной работе прибора...........109

4.4.2. Виды регистрируемых шумов................................................................110

4.4.3. Влияние шумов на восстановление панорамного снимка..................111

4.5. Оценка переотражений в системе...............................................................112

4.6 Оценка качества оптического совмещения.................................................114

4.7. Влияние дефектов оптического тракта на панорамное изображение.....115

4.7.1. Точность совмещения составных частей оптической призмы...........115

4.7.2. Дефекты клееных соединений оптической призмы.............................116

4.7.3. Отклонение размеров призмы от номинальных...................................117

4.7.4. Технологические требования к материалам.........................................117

Выводы по главе 4...............................................................................................120

Заключение...........................................................................................................121

Список литературы..............................................................................................125

Приложение 1. Акты реализации результатов исследований.

Введение.

Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с её огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных районов, так и страны в целом.

Данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата и др.

В настоящее время среди средств дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК диапазонов спектра. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.

Отдельный класс средств дистанционного зондирования составляют так называемые малые космические аппараты (МКА) ДЗЗ, в который входят так называемые миниспутники. Современная элементная база позволяет сделать их вес от 100 кг до 500 кг при практически полном сохранении функциональности, присущим аппаратам с массой порядка 1 т. [33]

Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Наиболее активно развивается

направление миннспутников оперативного наблюдения, так как их разработка и выведение на орбиту обходится сравнительно дешево. Сроки эксплуатации таких систем меньше, соответственно существует тенденция их постоянного совершенствования. Особенности конструкции обуславливают использование легкой, эргономичной и максимально информативной целевой аппаратуры. Одним из основных устройств, обеспечивающих качество и объем получаемой информации являются используемые в ОЭП фотоприемные модули (ФПМ), однако существующая степень их интеграции не позволяет получить требуемую полосу захвата и пространственное разрешение, задаваемые современными требованиями информативности систем.

Отсюда возникает необходимость и актуальность создания метода получения плотноукомпонованной фокальной сборки из доступных ФПМ как в корпусном, так и бескорпусном исполнениях посредством оптического совмещения их фоточувствительных областей без потери информации в области их стыковки. Использование данного метода позволяет повысить эффективность средств ДЗЗ.

Данной проблемой широко занимались ведущие организации России и других стран. Результаты разработок внедрены в такие системы как PLEIADES (Франция), Spot (Франция совместно с Бельгией и Швецией), Канопус, Ресурс-ДК (Россия), THEOS (Таиланд) и многие другие, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи и книги, однако разработанные решения были большей частью направлены на большие и средние космические аппараты. Данные разработки предусматривают высокие требования к стабилизации движения спутника и, как следствие, практически неприменимы для миниспутников. Актуальность работы.

Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств

оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Наиболее активно развивается направление малых спутников оперативного наблюдения, так как разработка и выведение таких спутников на орбиту обходится сравнительно дешево, существует возможность запуска группы спутников на одном носителе, поэтому удельная стоимость получаемой информации ниже, чем у аналогичных систем более высокого класса. Особенности конструкции таких спутников обуславливает использование оптических сборок фокальной плоскости без потери информации в области стыковки АО ФПМ.

Отсюда возникает необходимость и актуальность разработки принципов и методов построения фокальной плоскости оптико-электронных преобразователей (ОЭП) с оптическим совмещением фоточувствительных зон ФПМ посредством прямой отражающей призмы без потерь информации в зоне оптической стыковки для систем, размещаемых на миниспутниках.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с оптическим совмещением АО ФПМ, используемых для получения видеоданных в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Целью диссертации является:

Решение научно-технической проблемы создания ОЭП с оптическим совмещением АО ФПМ без потерь информации в зоне стыковки для систем миниспутников ДЗЗ. Совокупность теоретических, научно обоснованных технических решений, конструкторско-технологических основ проектирования и реализация устройств может внести значительный вклад в развитие экономики страны и повышение её обороноспособности.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ проблем, решаемых современными техническими средствами ДЗЗ на базе МКА с точки зрения пространственного

разрешения и полосы захвата. Исследованы используемые на сегодняшний день методы сборки фокальных плоскостей;

2. Обоснована возможность оптического совмещения активных областей ФПМ без потерь информации в области оптической стыковки;

3. Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по 2-планарной технологии;

4. Разработан метод восстановления целостной информации в области оптической стыковки с учетом характеристик существующей электронной компонентной базы;

5. Разработана базовая конструкция ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ;

6. Разработан алгоритм юстировки ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ, обеспечивающий повышение технологичности при производстве;

7. Спроектированы и изготовлены опытный образец ОЭП, котировочный стенд и сопутствующее программное обеспечение, обеспечивающее контроль параметров совмещения и восстановление информации в области оптической стыковки;

8. Сопоставлена математическая модель оптического совмещения с экспериментальными данными опытного образца ОЭП.

Объектом исследования является ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон сенсоров посредством прямых отражающих призм, собранные в единую фокальную сборку.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкция ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон ФПМ посредством прямых отражающих призм, собранных в единую фокальную сборку.

На защиту выносятся следующие положения

1. Метод проектирования ОЭП смотрящего и сканирующего типа по методу оптического совмещения активных областей ФГТМ.

2. Метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы

3. Модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;

4. Математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по Ъ-планарной технологии;

5. Принципы методики юстировки и контроля параметров ОЭП, созданного по методу оптического совмещения активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Предложена конструктивная модель ОЭП, позволяющая значительно сократить габариты при сохранении основных оптических параметров ОЭП;

2. Предложен метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы;

3. Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по 2-планарной технологии;

4. Предложена модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;

5. Разработаны принципы методики юстировки ОЭП, обеспечивающие повышение технологичности при производстве.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается

- Комплексностью проведенных исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;

- Многократной экспериментальной проверкой теоретических результатов;

- Обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях, а также экспертизой заявки на изобретение.

Практическая значимость научных положений и выводов

диссертационной работы.

1. Проведена разработка конструкции и технологии изготовления ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ без потерь информации в зоне стыковки для систем МКА ДЗЗ;

2. Предложен принцип построения ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ обеспечивает значительное снижение массогабаритных характеристик прибора при сохранении тактико-технических параметров;

3. Реализована схема многовыводного ОЭП увеличивающая скорость считывания информации и увеличивающая его надежность.

4. Показана возможность увеличения полосы захвата ОЭП без ухудшения разрешающей способности при использовании специализированных сенсоров.

Апробация работы, публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждали