автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии адаптивно-селективной сборки для многоэлементных инфракрасных фотоприемников

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОгаЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

4849312

СМИРНОВА Елена Викторовна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АДАПТИВНО-СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ ДЛЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ

Специальность: 05.11.14 - «Технология приборостроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

9 НЮН 2011

4849312

Работа выполнена на кафедре компьютеризации и проектирования оптических приборов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Латыев Святослав Михайлович СПбГУИТМО

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яковлев Евг ений Борисович СПбГУ ИТМО

кандидат технических наук Прокофьев Александр Валерьевич ОАО «СКБ ИС»

Ведущая организация: ОАО «НИИ «Гириконд»

г. Санкт-Петербург

Защита состоится «21» июня 2011 года в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 «Технология приборостроения» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и отики по адресу: Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, а. 461.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО. Автореферат разослан «Ю» JucuX 2011 года.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, СПбГУ ИТМО, секретарю диссертационного совета Д.212.227.04.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.227.04 кандидат технических наук, доцент_

С.С.Киселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время в различных отраслях промышленности существует потребность в оптической измерительной технике широкого спектрального диапазона для оперативного измерения и контроля различных физико-химических и механических свойств материалов и сред, в частности, для определения качественных характеристик лесоматериалов, пищевых и сельскохозяйственных продуктов. Вследствие того что лесоматериалы являются одним ш основных экспортных товаров, весьма актуальным является создание спектральной аппаратуры для их идентификации. Для решения большинства подобных задач необходим многоэлементный приемник оптического излучения в инфракрасной (ИК) области спектра (от 1,0 до 5,0 мкм), который позволяет реализовать быстродействующий малогабаритный портативный спектрофотометр, работающий в наиболее информативном для поставленных задач ближнем спектральном ИК-диапазоне. С его помощью можно определять породу древесины, влажность и ряд других характеристик, связанных с экономической безопасностью России.

Многоэлементные приемники, позволяющие надежно регистрировать ИК-излучение в диапазоне 1-5 мкм, весьма востребованы у разработчиков различной спектрально-аналитической аппаратуры. Невысокая стоимость, надежность и возможность создания многоэлементных фотогальванических Ж-приемников при помощи технологии адаптивно-селективной сборки (АСС) делают эти приемники перспективными и конкурентоспособными компонентами серийных приборов для решения широкого круга задач в науке и технике.

Важнейшим аспектом при создании ИК-фотоприемников является качество их сборки. Технология изготовления отечественных приемников не позволяет достичь их требуемых технических характеристик, обеспечивающих точность измерения создаваемой контрольно-измерительной аппаратуры. В связи с этим весьма актуально внедрение технологии АСС и проведение специальных исследований, позволяющих повысить показатели качества ИК-фотоприемников в процессе их производства, а также характеристики приборов для оперативного измерения и контроля лесоматериалов и других объектов. Решению этих актуальных вопросов и посвящена настоящая работа.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии производства многоэлементных приемников оптического излучения в ИК-области спектра, а также внедрение технологии их адаптивно-селективной сборки с целью повышения точностных характеристик фотоприемнихов.

Задачи исследования:

• разработка и внедрение технологии адаптивно-селективной сборки при изготовлении миогоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• разработка методов калибровки ИК-фотоприемников;

• разработка алгоритмов и математических моделей цифровой коррекции погрешностей;

• разработка конструкции модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения и создание технологии его изготовления;

• проведение климатических испытаний ИК-фотоприемников;

• проведение экспериментальных исследований многоэлементных приемников инфракрасного излучения в составе спектрального прибора для контроля лесоматериалов;

• обоснование требований к современным контрольно-измерительным приборам, работающим в ИК-области спектра;

• обзор и классификация существующих приборов и анализ характеристик применяемых ИК-линеек фотоприемников.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

• впервые внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников излучения;

• модифицирована концепция построения спектрофотометра прибора для контроля лесоматериалов, содержащего многоэлементный фотоприемник ИК-излучения;

• доказана целесообразность применения расширенного спектрального диапазона и технологии адаптивно-селективной сборки портативного прибора контроля лесоматериалов;

• разработана конструкция модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

2. Методика калибровки ИК-фотоприемников.

3. Алгоритм цифровой коррекции погрешностей измерений ИК-фотоприемников.

4. Конструктивное решение при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

5. Особенности и порядок применения многоэлементных приемников инфракрасного излучения в конструкции приборов контроля лесоматериалов, обеспечивающих повышение эффективности их практического применения.

Практическая ценность

В работе предложены методы, позволяющие повысить качество и обеспечить значительное снижение стоимости изготовления многоэлементных приемников инфракрасного излучения, а также повысить технические и эксплуатационные качественные характеристики прибора контроля лесоматериалов. В процессе исследований и практической работы:

• внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• создан модуль многоэлементного приемника излучения, работающего в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм;

• возобновлено сершшое производство многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• улучшены качественные характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Результаты диссертационной работы реализованы в серийно выпускаемых приборах для идентификации пород древесины «Кедр», разработанных по заказу Федеральной таможенной службы России и принятых на снабжение таможенных органов. Научные разработки по данной тематике удостоены диплома и золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международной выставке ISSE-2010 и внесены в Госреестр средств измерений.

Внедрение результатов работы

Основные результаты исследования были использованы при разработке и производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения в Научно-исследовательском институте «Гириконд», ЗАО «Научно-производственном центре «Инновационная техника и технологии» (Санкт-Петербург) при создании приборов для идентификации пород древесины «Кедр».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры компьютеризации и проектирования оптических приборов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики и кафедры технических средств таможенного контроля и факультета повышения квалификации Санкт-Петербургского имени В.Б. Бобкова филиала Российской таможенной академии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

1. XL Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (1-4 февраля 2011 г.);

2. VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, посвященной 110-летию СПбГУ ИТМО (20-23 апреля 2010 г.);

3. XXXIX Научной и учебно-методической конференции, посвященной 110-летию СП6ГУ ИТМО (2-5 февраля 2010 г.);

4. Третьем Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (20-21 ноября 2009 г.);

5. VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «КМУ-2009» (14-17 апреля 2009 г.);

6. XXXVIII Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, посвященной 100-летию со дня рождения выдающего ученого и талантливого педагога М.М. Русинова (3-6 феврачя 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 5 работ, из них 3 - в журналах из перечня ВАК.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены положения, раскрывающие ее научную новизну и практическую значимость. Сформулированы цель работы и основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современных требований к перспективным приборам контроля параметров веществ и материалов, работающим на основе спектрального анализа, оценке их основных характеристик в ИК-области спектра. Приведены обзор и описание многоэлементных приемников инфракрасного излучения и рассмотрена возможность их применения в современных приборах. Указаны основные требования, предъявляемые к многоэлементным ИК-фотоприемникам, а также особенности технологии их производства.

Исходя из современных требований по созданию высокоэффективных контрольно-измерительных приборов и разработке технологии изготовления многоэлементных ИК-фотоприемников, входящих в их состав, сформулированы цели и задачи работы. Преимущества использования многоэлементных приемников, такие как высокая скорость измерения спектров и компактность приборов на их основе, важны при оперативной обработке информации.

Вторая глава посвящена разработке технологии изготовления и сборки многоэлементных ИК-фотоприемников. Рассматриваются возможности возобновления применения технологий производства ИК-фотоприемников и их совершенствования на существующих производственных площадках.

С точки зрения технологии изготовления перспективными полупроводниковыми материалами для многоэлементных приемников ИК-излучения, чувствительных в диапазоне от 1,0 до 5,0 мкм, являются селенид свинца, легированный примесями элементов пятой группы, и твердые растворы селенида свинца и селенида кадмия. Легирование элементами пятой группы позволяет получать материалы с проводимостью, близкой к собственной, и реализовать эффект фотопроводимости. Разработанная технология дает возможность при помощи фотолитографического процесса создавать многоэлементные приемники с количеством элементов до 100 и с линейными размерами одного элемента от 300 до 30 мкм, работающие в фотогальваническом (токовом) режиме (рис. 1).

Рис. 1. 96-элементный приемник ИК-излучения

Спектральные характеристики чувствительности ИК-фотоприемника зависят от концентрации CdSe в твердом растворе Pbl_xCd,:Se. С увеличением концентрации фоточувствительного слоя CdSe максимум спектральной чувствительности сдвигается в сторону коротких длин волн (рис. 2), а постоянная времени увеличивается от 5 до 30 мкс. Это позволяет оптимизировать состав материала в зависимости от требований, предъявляемых к соответствующей спектральной аппаратуре.

Рис. 2. Спектральные характеристики чувствительности 96-элементного ИК-фотоприемника (1 - концентрация CdSe в Pbi^Cd^Se составляет 0%; 2-4%; 3- 10 %)

Такие многоэлементные приемники излучения, в которых фоточувствительный элемент работает в фотогальваническом режиме, представляют особый интерес. Представленные в данный момент на рынке фотоприемные устройства, работающие по этому принципу в спектральном диапазоне от 1,0 до 5,0 мкм, практически недоступны широкому кругу потребителей из-за своих эксплуатационных характеристик (требуют охлаждения до минус 203 °С) и высокой стоимости. Поэтому необходимость создания дешевых и простых в использовании многоэлементных фотоприемных устройств не вызывает сомнений.

Следует отметить, что изготовленные ИК-линейки сильно отличаются друг от друга по электрическим параметрам, поэтому при комплектации ИК-фотоприемника, состоящего из двух и более 48-элементных ИК-линеек, необходимо осуществить их подбор. Оптимальный подбор ИК-линеек друг к другу производится при помощи алгоритма, учитывающего чувствительность элементов и уровень сигнала, полученного с каждой изготовленной ИК-линейки (рис. 3).

70

20 10

0-----

О 10 20 30 40 50

номер элемента

Рис. 3. Распределение уровня сигнала в зависимости от номера элемента ИК-линейки

Для повышения качества сборки производится программная коррекция. При разработке конструкции ИК-фотоприемника следует обеспечивать возможность более точной настройки уровней постоянной составляющей сигнала и значения его чувствительности на этапах его изготовления, монтажа, калибровки и эксплуатации.

Для выполнения этого требования производилась поэтапная модификация конструкции 96-элементного приемника ИК-излучения (3 этапа). На первом этапе в конструкции ИК-фотоприемника настройка коэффициента усиления всех трех операционных усилителей производилась на один уровень; значение сдвига уровня сигнала по абсолютной величине также было одинаковым. Установка сдвига необходима для компенсации постоянной составляющей сигнала фотоприемника. Уровень постоянной

составляющей сигнала индивидуален для каждого фотоприемника и требует однократной настройки для каждого фотоприемника.

Второй этап предусматривал возможность распределения чувствительности элементов ИК-фотоприемника. Настройка чувствительности производилась в целом для линейки ИК-фотоприемника.

Третий этап модификации конструкции ИК-фотоприемника отличался программной поэлементной настройкой коэффициента усиления и значения уровня сдвига сигнала. Для повышения точности работы ИК-фотоприемника требуется первоначально вычислить и установить поэлементно коэффициенты усиления и только после этого произвести коррекцию смещения сигнала.

Технология производства такого типа фотоприемников включает в себя три основных этапа: напыление фоточувствительного элемента, герметизацию фотоприемника, интеграцию в модуль обслуживающей электроники.

Третья глава посвящена разработке и исследованию технологии адаптивно-селективной сборки (АСС) многоэлементных ИК-фотоприемников на этапе современного производства. Приводится описание и основные принципы технологии АСС.

Технология АСС обеспечивает высокую точность узлов и изделий в условиях серийного производства при одновременном снижении себестоимости изделия за счет учета производственно-технологических возможностей предприятия и изготовления комплектующих по расширенным допускам. АСС отличается от обычной селективной сборки тем, что на основании результатов измерений погрешностей деталей и узлов помимо комплектации осуществляется корректировка процесса сборки, а при необходимости и изготовление деталей.

В схеме для реализации технологии АСС предусмотрено проведение измерений электрических параметров ИК-линеек, влияющих на технические показатели качества готового ИК-фотоприемника. В процессе моделирования учтены не только сами показатели качества, но и адекватность модели системы, т. е. заложена возможность повторного цикла измерений, коррекции ошибок, а также возможность влияния на процесс производства ИК-линеек с целью обеспечения принципов селективности (подбор линеек) и адаптивности производства (влияние на показатели качества при производстве ИК-линеек). В технологии предусмотрена возможность регулировки чувствительности элементов ИК-фотоприемника.

Схема процесса АСС многоэлементных ИК-фотоприемников приведена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема процесса АСС многоэпементных ИК-фотоприемников

Сборка производится по данным распределения чувствительности каждого из элементов фотоприемника. Подбор ИК-линеек проводится по среднеквадратическому отклонению (СКО) уровня выходного сигнала. Проведение компоновки производится автоматически с помощью специального программного обеспечения, разработанного в рамках исследования, что обеспечивает возможность применения в серийном производстве.

В результате работы программы происходит формирование пар линеек фотоприемников, что позволяет скомпоновать фотоприемник с равномерным распределением чувствительности.

На рис. 5 представлены графики уровней сигналов с элементов ИК-фотоприемника: при типовой технологии сборки (а), с применением технологии селективной сборки (б) и с применением технологии адаптивно-селективной сборки и компенсации параметров элементов (в).

а)

б)

в)

Рис. 5. Уровень сигнала с элементов ИК-фотоприемника

В четвертой главе приведены результаты исследований опытных образцов ИК-фотоприемников. По данным результатам разработаны предложения по модернизации структурной и функциональной схем прибора контроля лесоматериалов, описаны условия и процесс калибровки ИК-фотоприемннков. Приводятся результаты исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников. Рассматриваются варианты применения и практической реализации многоэлементных приемников оптического излучения, работающих в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм. Опытные образцы ИК-фотоприемников установлены в прибор контроля лесоматериалов и проходят аттестацию и опытную эксплуатацию.

Для практической реализации ИК-фотоприемника была модернизирована концепция построения прибора контроля лесоматериалов. Модернизированная структурная схема прибора контроля лесоматериалов представлена на рис. 6.

Для стабилизации температуры и обеспечения работы ИК-фотоприемника в широком диапазоне температур (от - 30 до + 45 °С) в конструкцию введен управляемый термоэлектрический модуль Пельтье.

и а » *« S W Я so 1 40 1 и tr^W^j--

--__—l^^tf/NM7-

■V

20 10 SO !0 40 50 во 70 ВО М 10С Номер дмментй

« ш it) Е £40 S » 8- 2» 5 u ...... .......

„ 10 20 20 40 » 60 ?0 60 т S03 Номер алсмента

« 0 1 м i-И0 г а

е 10 29 30 •№ М » 70 Ю И 103 Номер элемент*

В схеме присутствуют датчики температуры, расположенные на фотоприемниках. Свойства фотоприемников исследуются для каждого прибора и фиксируются в памяти ЭВМ для дальнейшей алгоритмической (цифровой) коррекции погрешностей.

Объект исследования /— Источник

N- излучения

Оптической система

Рис. б. Структурная схема прибора контроля лесоматериалов

По результатам разработки ИК-фотоприемников была модернизирована функциональная схема прибора с расширенным спектральным диапазоном.

Прибор контроля лесоматериалов представляет собой два спектрофотометра, один из которых работает в видимой области спектра, а второй - в ближней инфракрасной. Световой поток от источников излучения, находящихся в фотометрическом шаре, падает на торцевую поверхность исследуемого объекта, отражается от нее и через входную щель попадает на дифракционные решетки, которые раскладывают световой поток в линейный спектр излучения на фотоприемники, сигнал с которых поступает на встроенный микроконтроллер, где происходит его первичная обработка и преобразование в цифровой вид.

Функциональная схема прибора изображена на рис. 7 (1 -фотометрический шар со встроенными источниками излучения; 2 -источники излучения видимой и ИК-области спектра; 3 - входная щель с электромеханической шторкой; 4 - вогнутая стигматическая дифракционная решетка видимой области спектра; 5 - фотоприемник видимой области спектра;

Модуль ы Летчики

Пельтъе температуры

6 - вогнутая стигматическая дифракционная решетка ИК-области спектра; 7 -фотогальванический приемник ИК-излучения.).

Схема спектрофотометра лишена механических элементов, за исключением шторки для снятия темнового сигнала, что значительно уменьшает время проведения одного измерения по сравнению со сканирующими спектрофотометрами.

Бо избежание температурной нестабильности в схеме прибора использованы два температурных датчика для контроля температуры во время измерений. Один из датчиков размещен на фотоприемнике видимой области спектра, второй - на фотоприемнике инфракрасной области спектра. Результаты исследования зависимости дрейфа показаний фотоприемников от температуры послужили основой для создания технологии алгоритмической компенсации погрешностей.

Одними из факторов, увеличивающих погрешности измерений спектральной информации, влияющих на уверенность идентификации объектов, является нелинейность свойств ИК-фотоприемникоз в зависимости от уровня сигнала и температуры.

1. Компенсация нелинейности свойств ИК-фотоприемников

Целью компенсации нелинейности свойств прибора является приведение спектра, снятого на исследуемом спектрофотометре, к спектру, снятому на эталонном спектрофотометре высокой точности.

Алгоритмическая коррекция заключается в выборе фиксированного набора эталонов, спектры которых измеряются как на высокоточном эталонном оборудовании, так и ка исследуемом спектрофотометре,

Рис. 7. Функциональная схема прибора

входящем в состав прибора контроля лесоматериалов. Сравнив такие спектры, можно определить факторы, влияющие на изменение вид< спектральной информации.

В качестве эталонов применяются поверхности четырех различию цветов, внешне представляющие собой градацию серого.

Задача заключается в нахождении функции пересчета s(p} интенсивности на исследуемом приборе pi}P2> — >Pn в интенсивность не эталонном спектрофотометре s1(s2 ...,sn. Будем ограничивать вид функцш-s(p) и искать саму функцию методом наименьших квадратов, т.е. выбирап параметры так, чтобы значение

п

было минимальным.

Экспериментально установлено, что функцию s(p) можно считан линейной (рис. 8). Положим

s(p) - Ар + В,

где А, В - параметры. Точка минимума функционала /[s] находится и-соотношений:

Решив систему уравнений с двумя неизвестными, получаем функцшс пересчета s(p).

0,2

0,4

0,6

0,8 1,0 р„, отн. ед.

Рис. 8. Функция s(p)

Алгоритм компенсации погрешностей приведен на рис. 9.

Преобразование интенсивности видимого спектра при i-й длине волны

1 Г

i > result-viSize -1 V У 1-:------

Преобразование интенсивности инфракрасного спектра при i-й длине волны

Происходит аппроксимация методом наименьших квадратов полиномом второй степени

result. viSize -максимальная длина волны видимого спектра

Происходит аппроксимация методом наименьших квадратов полиномом первой степени

result.irSizs -максимальная длина волны инфракрасного спектра

Рис. 9. Алгоритм компенсации погрешностей

Пример приведен для фиксированной длины волны. В действительности все параметры зависят от длины волны Л:

Pi = PiW; Si = Si(X);A = Л (Я); В = В (Я); s(p) = .<>(Я,р).

После расчета функции s(A,p) спектр любого объекта, снятого на исследуемом спектрофотометре, можно преобразовать в линию, близкую к спектру того же объекта, снятого на эталонном спектрофотометре. Пусть снятый спектр есть функция р(А). Тогда преобразованный спектр вычисляется по формуле:

р(Я) = 5(Я,р(Я)).

2. Компенсация зависимости чувствительности ИК-фотоприемника от температуры

Экспериментально было выявлено, что свойства ИК-фотоприемников излучения сильно зависят от температуры (рис. 10).

Таким образом, все данные, полученные на исследуемом спектрофотометре, являются функциями температуры: pt = p,(t, Я); А = A(t,A); В = B(t,A); s(p) = s(t,A,p). Поэтому спектры эталонов снимаются не однократно, а в течение некоторого промежутка времени, пока прогревается прибор.

На рис. 11 показана зависимость интенсивности излучения одного и того же эталона на одной и той же длине волны от температуры. Это фактически график функции Pi(t,X) от аргумента t при фиксированных параметрах. Температурная коррекция заключается в построении функции s(t,A,p) по значениям pj(t,X). Отметим, что обычно сама функция p£(t,Я) неизвестна, известны лишь ее значения при определенной температуре: tv ...,tn. Поскольку алгоритм вычисления функции s(t,A,p) описан выше, достаточно построить семейство функции Pi(t,A) по значениям Рц(А), где

Pi.jW = Pi(tpA).

Экспериментально установлено, что Pi(t,A) можно искать в виде квадратичной функции:

p,-(t, А) = At2 + Bt +С.

Рис. 11. Изменение уровня сигнала ИК-фотопригмника в зависимости от температуры

Параметры А, В, С подбираются как точка минимума функционала

14

Точка минимума функционала /[s] находится из соотношений

Решив систему уравнений с тремя неизвестными, получаем зависимость свойств приемников от температуры.

В результате анализа экспериментальных данных было обнаружено, что при фиксированной длине волны зависимость интенсивности эталона от температуры в видимой области спектра является квадратичной, а в инфракрасной области спектра - линейной. Именно поэтому аппроксимация спектральной информации в видимой области спектра проводится при помощи полиномов второй степени, а в инфракрасной - полиномов первой степени.

В результате применения технологии алгоритмической компенсации погрешностей измерений удалось значительно повысить точностные характеристики входящего в состав прибора контроля лесоматериалов спектрофотометра, уменьшить погрешность измерения спектральной информации, обеспечить существенное повышение вероятности идентификации пород древесины с 15 до 90 %.

В заключении приведены итоги проделанной работы, рассмотрены направления дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных ИК-фотоприемников, существенно улучшающая их точностные характеристики.

2. Проведены исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников в составе прибора контроля лесоматериалов.

3. Разработаны алгоритм и аппаратная реализация алгоритмической коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками.

4. Разработаны методы калибровки ИК-фотоприемников.

5. Разработаны новые конструктивные решения многоэлементных приемников оптического излучения, работающих в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм, и налажено производство серийной продукции.

6. На основе расширения спектрального диапазона значительно улучшены технические характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воронин А.А., Смирнова Е.В., Смирнов А.П. К вопросу идентификации пород древесины с применением методов анализа спектров // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 02(66). С. 5-11.

2. Воронин А.А., Смирнова КВ., Фаизов КН. Алгоритмическая коррекция погрешностей портативного спектрофотометра // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 1. С. 74-78.

3. Смирнова Е.В., Латыев С.М. Изучение погрешностей совмещения марок при поперечных наводках // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 06(64). С. 9-13.

4. Заявка № 2010147336/28. Способ и устройство определения плотности древесины / Е.З. Коварская, B.C. Черноглазое, А.А.Воронин, ЕВ. Смирнова, А.А. Симоненко, И.Б. Московенко, от 11.11.2010 г.

5. Заявка на изобретение. Способ и устройство определения объема древесины / П.Н. Рог, B.C. Черноглазое, А.А.Воронин, Е.В. Смирнова, А.А. Симоненко, Л.Б. Смирнов, 2011.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации» Корректор: Позднякова Лидия Геннадьевна 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.: (812) 233-46-69, объем 1 пл. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ требований к многоэлементным инфракрасным фотоприемникам и технологии их изготовления.

1.1 Анализ требований к контрольно-измерительным приборам, работающих на основе спектрального анализа в ИК-области спектра.

1.3 Выбор спектрального диапазона.

1.4 Обзор и описание фотоприемников.

1.5 Выводы.

Глава II. Разработка конструкции модуля и технологии изготовления многоэлементного инфракрасного фотоприемника.

2.1 Конструкция фотоприемника ИК-излучения.

2.2 Обзор технологии изготовления ИК-фотоприемников.

2.3 Выбор источника оптического излучения.

2.4 Разработка электронной схемы и обслуживающего обеспечения ИК-фотоприемника.

2.5 Сборка ИК-фотоприемника.

2.6 Выводы.

Глава III. Разработка технологии адаптивно-селективной сборки при изготовлении, монтаже и эксплуатации многоэлементных инфракрасных фотоприемников.

3.1 Технические характеристики фотоприемника.

3.2 Технология адаптивно-селективной сборки.

3.3 Разработка схемы процесса адаптивно-селективной сборки ИК-фотоприемников

3.4 Реализация технологии АСС для повышения технологичности производства.

3.5 Выводы.

Глава IV. Экспериментальные исследования и испытания фотоприемников.

4.1 Структурная и оптическая схемы прибора контроля лесоматериалов.

4.2 Калибровка и программная юстировка прибора.

4.3 Компенсация погрешностей результатов измерений.

4.4 Испытания фотоприёмников, предназначенных для применения в полевых приборах.

4.5 Рассмотрение возможности применения разработанных ИК-фотоприемников для других сфер деятельности.

4.6 Выводы.

Актуальность проблемы

В настоящее время в различных отраслях промышленности существует потребность в оптической измерительной технике широкого спектрального диапазона для оперативного измерения и контроля различных физико-химических и механических свойств материалов и сред, в частности, для определения качественных характеристик лесоматериалов, пищевых и сельскохозяйственных продуктов. Вследствие того что лесоматериалы являются одним из основных экспортных товаров [1], весьма актуальным является создание спектральной аппаратуры для их идентификации. Для решения большинства подобных задач необходим многоэлементный приемник оптического излучения в инфракрасной (ИК) области спектра (от 1,0 до 5,0 мкм), который позволяет реализовать быстродействующий малогабаритный портативный спектрофотометр, работающий в наиболее информативном для поставленных задач ближней ИК-области спектра. С его помощью можно определять породу древесины и ряд других характеристик, которые имеют большое значение для пресечения вывоза ценных пород древесины за пределы страны, что в свою очередь связано с экономической безопасностью России.

Многоэлементные приемники оптического излучения, позволяющие надежно регистрировать ИК-излучение в диапазоне 1-5 мкм, весьма востребованы у разработчиков различной спектрально-аналитической аппаратуры. Невысокая стоимость, надежность и возможность создания многоэлементных фотогальванических ИК-фото приемников при помощи технологии адаптивно-селективной сборки (АСС) делают эти фотоприемники перспективными и конкурентоспособными компонентами серийных приборов для решения широкого круга задач в науке и технике.

Важным аспектом при создании ИК-фотоприемников является качество их сборки. Технология изготовления отечественных фотоприемников не позволяет достичь требуемых технических характеристик, обеспечивающих точность измерения создаваемой контрольно-измерительной аппаратуры. В связи с этим весьма актуально внедрение технологии АСС и проведение специальных исследований, позволяющих повысить показатели качества ИК-фотоприемников в процессе их производства, а также характеристики приборов контроля лесоматериалов и других объектов. Решению этих актуальных вопросов и посвящена настоящая работа.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии производства многоэлементных приемников оптического излучения в ИК-области спектра, а также внедрение технологии их адаптивно-селективной сборки с целью повышения технических характеристик фотоприемников.

Задачи исследования:

• разработка и внедрение технологии адаптивно-селективной сборки при изготовлении многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• разработка методов калибровки ИК-фотоприемников;

• разработка алгоритмов и математических моделей цифровой коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками;

• разработка конструкции модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения и создание технологии его изготовления;

• проведение климатических испытаний ИК-фотоприемников;

• проведение экспериментальных исследований многоэлементных приемников инфракрасного излучения в составе спектрального прибора для контроля лесоматериалов;

• обоснование требований к современным контрольно-измерительным приборам, работающим в ИК-области спектра;

• обзор и классификация существующих приборов и анализ характеристик применяемых ИК-линеек фотоприемников.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

• впервые внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников оптического излучения;

• модифицирована концепция построения спектрофотометра прибора для контроля лесоматериалов, содержащего многоэлементный фотоприемник ИК-излучения;

• доказана целесообразность применения расширенного спектрального диапазона и технологии адаптивно-селективной сборки портативного прибора контроля лесоматериалов;

• разработана конструкция модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

2. Методика калибровки прибора контроля лесоматериалов, работающего с ИК-фотоприемниками.

3. Алгоритм цифровой коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками.

4. Конструктивное решение при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

5. Особенности и порядок применения многоэлементных приемников инфракрасного излучения в конструкции приборов контроля лесоматериалов, обеспечивающих повышение эффективности их практического применения.

Практическая ценность

В работе предложены методы, позволяющие повысить качество сборки и обеспечить значительное снижение стоимости изготовления многоэлементных приемников инфракрасного излучения, а также повысить технические и эксплуатационные качественные характеристики (спектральный диапазон показаний спектров, уверенность идентификации) прибора контроля лесоматериалов. В процессе исследований и практической работы:

• внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• создан модуль многоэлементного приемника инфракрасного излучения, работающего в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм;

• возобновлено серийное производство многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• на основе расширения спектрального диапазона значительно улучшены технические характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Результаты диссертационной работы реализованы в серийно выпускаемых приборах для идентификации пород древесины «Кедр», разработанных по заказу Федеральной таможенной службы России и принятых на снабжение таможенных органов. Научные разработки по данной тематике удостоены диплома и золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международной выставке 188Е-2010 и внесены в Госреестр средств измерений.

Внедрение результатов работы

Основные результаты исследования были использованы при разработке и совместном производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения в Научно-исследовательском институте «Гириконд» и ЗАО «Научно-производственный центр «Инновационная техника и технологии» (Санкт

Петербург) при создании приборов для идентификации пород древесины «Кедр».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры компьютеризации и проектирования оптических приборов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики и кафедры технических средств таможенного контроля и факультета повышения квалификации Санкт-Петербургского имени В.Б. Бобкова филиала Российской таможенной академии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

1. ХЬ Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (1-4 февраля 2011 г.);

2. VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, посвященной 110-летию СПбГУ ИТМО (20-23 апреля 2010 г.);

3. XXXIX Научной и учебно-методической конференции, посвященной 110-летию СПбГУ ИТМО (2-5 февраля 2010 г.);

4. Третьем Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (20-21 ноября 2009 г.);

5. VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «КМУ-2009» (14-17 апреля 2009 г.);

6. XXXVIII Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, посвященной 100-летию со дня рождения выдающего ученого и талантливого педагога М.М. Русинова (3—6 февраля 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, из которых три статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

4.6 Выводы

В результате модернизации и исследования опытных образцов приборов контроля лесоматериалов удалось реализовать следующие этапы работы:

- проведены исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников в составе прибора контроля лесоматериалов;

- описана необходимость температурной стабилизации ИК-фотоприемника;

- разработана методика калибровки ИК-фотоприемника;

- модернизирована концепция построения портативного прибора идентификации породы древесины, являющегося базовым средством для практической реализации разработанных ИК-фотоприемников.

5 Заключение

В результате проведенных исследований в рамках диссертационной работы были достигнуты следующие результаты:

1. Разработана технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных ИК-фотоприемников, существенно улучшающая их точностные характеристики.

2. Проведены исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников в составе прибора контроля лесоматериалов.

3. Разработаны алгоритм и аппаратная реализация алгоритмической коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками.

4. Разработаны методы калибровки ИК-фотоприемников.

5. Разработаны новые конструктивные решения многоэлементных приемников оптического излучения, работающих в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм.

6. На основе расширения спектрального диапазона значительно улучшены технические характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Результаты диссертационной работы реализованы в серийно выпускаемых приборах для идентификации пород древесины «Кедр», разработанных по заказу Федеральной таможенной службы России и принятых на снабжение таможенных органов. Научные разработки по данной тематике удостоены диплома и золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международной выставке 188Е-2010 и внесены в Государственный реестр средств измерений. В состав прибора «Кедр» входит ИК-фотоприёмник, выпускаемый совместно НИИ «Гириконд» и ЗАО «НПЦ «ИТТ» в Санкт-Петербурге.

1. Экспорт лесопродукции: Справочник. Издание 2-е исправленное и дополненное. СПб.: ПРОФИКС, 2008. - 712 с.

2. Григорьева О.В. Метод идентификации нефтезагрязненных земель с использованием оптико-электронных систем дистанционного зондирования / Исследования Земли из космоса. Выпуск №1 М.: 2008 г. - с.82-88.

3. Дилбазов Т. Г., Ягубзаде Н. Я., Гусейнова Е. А. Оптическая система с высокой разрешающей способностью для малогабаритного спектрального прибора // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 10. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с.80-84.

4. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов, СПБ, Политехника, 2007.

5. Плотников B.C. и др. Расчет и конструирование оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1983.

6. Воронин A.A., Колгин Е.А., Кострюков A.A., Савушкин A.B., Ухов A.A., Черноглазов B.C. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины // Петербургский журнал электроники. 2008. - № 2. - С. 116-119.

7. Колгин Е.А., Ухов A.A., Савушкин A.B. Спектрометры на основе полнхроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники. 2008. №2(55)-3(56). С. 120-127.

8. Азаров В.И., Буров A.B., Оболенская A.B. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб., 1999. 628 с.

9. Сокольский М.Н. Теоретические основы расчета допусков в оптических приборах. Л.: ЛИТМО, 1980.

10. Сухопаров С.А. Обобщенный метод точностного расчета конструкций оптических приборов // Известия вузов. Приборостроение, №6, 1985.

11. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 174 с.

12. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. Учебное пособие для вузов. СПб.: Папирус, 2003. - 528 с.

13. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов / Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др.; Под ред. Р.Дж. Киеса: перевод с англ. — М.: Радио и связь, j 1985.-328 с.

14. Гатчин Ю.А., Ткалич В.Л., Виволанцев A.C., Дудников Е.А. Введение в Микроэлектронику. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. 114с.

15. Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Компоненты и технологии, № 10, 2007, стр. 24-27. ^

16. Виноградова Т.В. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов свинца, серебра и твердых растворов замещения на их основе для создания датчиков экологического контроля. Дис. канд. хим. наук. Екатеринбург. 2005. 209 с.

17. Тропина Н.Э. Инфракрасные фотоприемники на основе пленок селенида свинца для спектрально-аналитической аппаратуры. Научно-исследовательский институт «Гириконд», УДК 621.383.51, 2009.

18. Тропина Н.Э., Петровская З.Н., Черноглазова И.О. Влияние диэлектрической фазы на спектр фотолюминесценции фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца // ФТП. Т. 43.-Вып. 11.-2009.-С. 1477-1480.

19. Дийков JI., Медведев Ф., Шелехин Ю. Электронно-оптические извещатели пламени. ИК-приемники нового поколения. Электроника: наука, технология, бизнес. № 6. 2000 г. с. 26-29.

20. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. JL: Машиностроение, 1985.

21. Лячнев В.В., Сирая Т.Н., Довбета Л.И. Основы фундаментальной метрологии: Учебное пособие / Под ред. В.В. Лячнева. СПб.: Элмор, | 2007. - 424 с.

22. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

23. Валетов В.А., Кузьмин Ю.П., Орлова A.A., Третьяков С.Д., Технология приборостроения // Учебное пособие, СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. -336 с.

24. Смирнова Е.В., Латыев С.М. Изучение погрешностей совмещения марок при поперечных наводках // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 06(64). С. 9-13.

25. Тропина Н.Э., Тропин А.Н. Полупроводниковые источники излучения для инфракрасной области спектра // Компоненты и технологии. 2008. — № 11.-С. 152-153.

26. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Фаизов И.Н. Алгоритмическая коррекция погрешностей портативного спектрофотометра // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 1. С. 74-78.

27. Дич JI.3., Латыев С.М., Рукавицын H.H. Повышение точности оптических приборов методом алгоритмической коррекции погрешностей // «Оптико-механическая промышленность», №12, 1987.

28. Frolov D.N., Vinogradova O.A. Ease of Manufacturing and Definition of the Tolerances for Fabrication and Assemblies of Microobjectives. 50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 19.-23. September 2005, p.93-94.

29. Zocher K.-P., Kosub S., Gorsch D. Toleranzgruppenoptimierung fur die Adaptive und Selektive Montage //44 IWK TU Ilmenau.- Band 3, 1999.

30. Латыев C.M., Смирнов А.П., Фролов Д.Н., Табачков А.Г., Тезка Р. Обеспечение целевых показателей качества при автоматизации сборки микрообъективов // Оптический журнал. 2010.Т.77, №1, с.49-53.

31. Латыев С.М., Табачков А.Г., Фролов Д.Н. Унификация конструкций микрообъективов с учетом автоматизации их сборки // Сборник трудов. Междунар. конф. «Прикладная оптика-2010», том 1, стр. 250-254.

32. Лежнев М.Ю. Идентификация лесопродукции // Лесное машиностроение №3. 1999.

33. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Смирнов А.П. К вопросу идентификации пород древесины с применением методов анализа спектров // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 02(66). С. 5-11.

34. Дич Л.З., Латыев С.М., Рукавицин H.H. Алгоритмический способ коррекции температурной погрешности сферометра // «Оптико-механическая промышленность», №4, 1989.

35. Воронин A.A., Митрофанов С.С. Исследование нелинейности позиционно-чувствительного приёмника фирмы «Hamamatsu» // Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т.50, №4. с. 47-50.

36. Белов Н. П., Яськов А. Д., Грисимов В. Н. Лабораторный спектрометр для исследования коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 7. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 74-78.

37. Дич Л.З., Латыев С.М. О погрешности Аббе в преобразователях линейных перемещений на дифракционных решетках // Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. М.: МдНТП, 1991, с.24-30.

38. Муслимов Э.Р. Теоретическое исследование свойств вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки // Научнотехнический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 01(71). СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. с. 1-6.

39. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1982.

40. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение. 1975 г., стр. 312.

41. Павлычева Н.К. Расчёт спектрографа с плоским полем на основе голографической решетки. ОМП, 1979 г., №7, стр. 15-16.

42. Латыев С.М., Митрофанов С.С. Алгоритмическая компенсация систематических погрешностей фотоэлектрических преобразователей круговых перемещений // «Оптико-механическая промышленность», №1, 1988.

43. Чапурский Л.И, Казак Р.И. Возможности использования различных участков спектрального диапазона от 0,4 до 2,5 мкм для наблюдения объектов военного назначения //ВОТ. 1991. Сер. 10. Вып.З (275), с.59-64.

44. АСС — адаптивно-селективная сборка

45. АЦП аналого-цифровой преобразователь

46. АЧТ — абсолютно черное тело4. БД база данных

47. БИС блок измерения спектров6. ИК инфракрасный

48. КИП контрольно-измерительный прибор

49. МПИ — многоэлементный приемнИК-излучения

50. ПЗС прибор с зарядовой связью

51. ППИ портативный прибор идентификации11. СИ средство измерения

52. СКДО спектральный коэффициент диффузного отражения

53. СКО среднеквадратическое отклонение

54. ЦАП цифро-аналоговый преобразователь

55. ФТС федеральная таможенная служба