автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка телевизионного приёмника, использующего эффект внутреннего электронного умножения для повышения эффективности регистрации и исследований малофотонных изображений

На правах рукописи

УДК. 621.383.724

КАЗНАЧЕЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПРИЁМНИКА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО

ЭФФЕКТ ВНУТРЕННЕГО ЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ МАЛОФОТОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальность 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

н ОКТ 2015

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005563391

Москва-2015

005563391

Диссертация выполнена на кафедре «Электронные приборы» факультета Электронной техники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»), г. Москва.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Бодров Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, профессор ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» Корнышев Николай Петрович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «НовГУ им. Ярослава Мудрого», Великий Новгород

Олихов Игорь Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, руководитель научно-технологической службы, ОАО « НИИ «Платан» с заводом при НИИ», г.Фрязино Фрязинский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук (ФИРЭ РАН)

Защита диссертации состоится «26» ноября 2015 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.157.12 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: 111255 , г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14., ауд Е-513, тел (495)-362-73-85

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте института www.mpei.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан « ¿Г» 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техн. наук

Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Развитие электронных устройств регистрации изображений сопровождается постоянным повышением чувствительности матричных приёмников к оптическому излучению.

Фундаментальным ограничением предельной чувствительности приёмников оптического излучения является фотонный шум, обусловленный квантовой природой оптического излучения. Одиночные приёмники оптического излучения, чувствительность которых позволяет получить электрический отклик при регистрации отдельных фотонов, существуют уже длительное время.

Однако, создание телевизионных (ТВ) матричных приёмников изображения наталкивается на принципиальное ограничение, обусловленное процессом преобразования сигнальных зарядовых пакетов в напряжение и, в частности, собственными шумами преобразователя, которые получили название «шумы считывания». Поэтому возможность продвижения в область регистрации отдельных фотонов с помощью ПЗС приёмников требует поиска путей, позволяющих обойти это принципиальное ограничение.

Одним из путей указанной проблемы является использование ПЗС матричных приёмников с внутренним электронным умножением, позволяющим радикально увеличить сигнальный заряд ещё до процесса считывания, что в результате существенно повышает результирующие отношение сигнал-шум на выходе ПЗС матрицы.

В литературе ПЗС-матрицами с многокаскадным процессом внутреннего умножения фотоэлектронов закрепилось название «ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением» (electron multiplying CCD — EMCCD).

Появление EA/CCD-приёмников позволяет перейти в область исследований процессов формирования изображений при столь низких уровнях освещённости, когда можно говорить об однофотонных и даже субфотонных потоках. При этом предельная чувствительность таких матричных приёмников ограничена не шумами считывания а собственными шумами потока фотонов.

Телевизионные приёмники на базе EMCCD-устройств позволяют продвинуться в область весьма малых рабочих значений освещённости - порядка 10"4 - 10'5 люкса, что, в свою очередь, позволяет им претендовать на роль эталона в своей категории устройств.

EMCCD-устройства имеют существенные преимущества перед лавинными фотодиодами и электронно-оптическими преобразователями. В связи с этим разработка, создание и оптимизация ТВ-устройств на базе матриц с внутренним электронным умножением является в настоящее время актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей процессов регистрации изображений с помощью ПЗС приёмников с внутренним каскадным умножением фотоэлектронов при малых и сверхмалых потоках

фотонов. Особенностями поставленной цели являются: необходимость самостоятельной разработки и исследования характеристик высокочувствительного ТВ-устройства и разработка методики создания малых и сверхмалых потоков фотонов для формирования оптических изображений.

Для достижения целей диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:

- Провести экспериментальные исследования изображений высокочувствительных ТВ-приёмников, формируемых сверхмалыми фотонными потоками.

- Провести анализ характеристик и параметров матричных приёмников оптических изображений и выбрать тип приёмника, обеспечивающий максимально высокое информационное качество при сверхмалых фотонных потоках.

- Разработать и создать экспериментальный макет ТВ-приёмника на базе ПЗС-матрицы с внутренним электронным умножением, обеспечивающим регистрацию малофотонных изображений.

- Создать экспериментальную установку для исследования особенностей процессов регистрации малофотонных изображений.

- На базе корреляционного анализа и математического моделирования определить значения интенсивности фотонного потока, при которых дискретный характер процесса детектирования оказывает доминирующее влияние на качество ТВ-изображений, формируемых матричными квантовыми приёмниками.

- Выработать рекомендации по созданию на базе ПЗС-матриц с внутренним каскадным умножением фотоэлектронов ТВ-приёмников, обеспечивающих регистрацию ТВ-изображений при сверхмалых потоках фотонов.

Научная новизна

Теоретически и экспериментально показано повышение чувствительности телевизионных приёмников вплоть до теоретического предела за счёт использования многокаскадного внутреннего умножения фотоэлектронов в ПЗС матрицах в режимах, когда среднее значение потока фотонов, приходящих на фоточувствительный элемент (пиксель) за время экспозиции близко к единице, что соответствует уровням освещённости порядка 10'5 люкс.

Использованы схемотехнические решения, позволяющие повысить эффективность управления процессом внутреннего электронного умножения сигнальных зарядов в ПЗС матрицах сверхвысокочувствительных телевизионных устройств.

Разработана методика получения тестовых изображений, основанная на использовании пространственно-однородного потока фотонов модели АЧТ с регулируемыми интенсивностью и спектральным составом, предназначенная для работы при освещённостях ниже уровня 10"5-10"4 люкса.

Теоретическая и практическая значимость работы

В работе показана возможность извлечения информации из телевизионных изображений при уровнях освещённости КГМО"5 люкс, за счёт использования эффекта внутреннего каскадного умножения фотоэлектронов в ПЗС матрицах.

Получены результаты теоретического анализа определения шумовых характеристик ПЗС матричных приёмников изображения с внутренним электронным умножением при регистрации сверхмалых фотонных потоков.

Экспериментально продемонстрирована возможность использования ТВ-устройств на базе 113С матриц с каскадным внутренним электронным умножением для регистрации изображений при сверхнизких уровнях освещённости порядка Ю^-Ю'5 люкс.

Показаны преимущества использования для работы в условиях сверхнизких освещённостей телевизионных приемников видимой области спектра, построенных на базе ПЗС матриц с внутренним электронным умножением.

Определены схемотехнические принципы и решения построения ТВ-приёмников на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним умножением фотоэлектронов, позволяющие гибко управлять процессом внутреннего электронного умножения заряда и одновременно повысить быстродействие таких ТВ-приёмников.

Разработана методика исследования характеристик и параметров ТВ-приёмников изображений в условиях работы при сверхмалых фотонных потоках.

Показана возможность построения многоканальных панорамных устройств с увеличенными углами обзора на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним умножением фотоэлектронов для работы в условиях сверхнизкой освещённости.

Методология и методы исследования.

Диссертационная работа основана на комплексном применении методов математического и, физического эксперимента, анализа литературных данных предшествующих работ по исследуемой проблеме, теоретического анализа в областях статистической оптики, оптики, теплофизики; методов математической статистики, теории сигналов и физики полупроводниковых устройств.

Разработка экспериментальных макетов осуществлена с применением методов аналоговой и цифровой схемотехники, методов численного моделирования и автоматизированного расчёта электронных узлов.

Численное моделирование и расчёты проведены с помощью современных средств прикладных программных пакетов, таких как «Mathcad», «MATLAB» фирмы «The MathWorks Inc». При разработке электронной и программной частей разработанных макетов электронных устройств применены средства автоматизированного расчёта и проектирования: «P-CAD 2006», «Multisim», «Quartus II».

Достоверность полученных результатов

Обзор современного состояния проблемы проведён на основе новых и новейших публикаций в авторитетных научных изданиях и справочной технической документации ведущих мировых производителей электронных компонентов и устройств.

Проведённые теоретические исследования, математическое моделирование и обработка результатов экспериментов осуществлены с широким

использованием пакетов прикладных программ ведущих мировых производителей, таких как «Mathcad», «MATLA3» фирмы «The MathWorks Inc» и ДР-

При разработке и создании экспериментальных макетов были использованы современные средства автоматизированного проектирования, в том числе «P-CAD 2006», «Multisim», «Quartus II», что позволило успешно реализовать качественное исполнение разработанных электронных блоков и узлов.

Использование современных оптических методов и элементов при реализации экспериментальной установки, применяемых в оптическом измерительном и аттестационном оборудовании, обеспечило высокую повторяемость, точность и воспроизводимость получаемых результатов.

Применение в качестве источника оптического излучения аттестованной модели абсолютно чёрного тела типа М-360 фирмы «Mikron Infrared», обеспечивающей высокую точность установки температуры и спектральных характеристик излучения, обеспечило высокую достоверность получаемых результатов.

Научные положения, выносимые на защиту

Повышение эффективности процесса регистрации ТВ-изображений за счёт использования внутреннего электронного умножения в ГОС матрицах при потоках излучения, близких к одному фотону на элемент (пиксель) приёмника изображения.

Телевизионный приёмник, использующий внутреннее электронное умножение, обеспечивающий пороговую чувствительность близкую к теоретическому пределу, позволяющий регистрировать и исследовать изображения при сверхмалых потоках фотонов, соответствующих освещённости порядка 10'5 люкса и ниже.

Методика получения точных сверхмалых, однородных, регулируемых потоков оптического излучения, позволяющие формировать тестовые изображения при сверхмалых уровнях освещённости.

Апробация результатов и личный вклад автора

По результатам диссертационной работы было опубликовано 16 научно-технических работ, в том числе три статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК [1-3].

Сделаны доклады на двенадцати научно-технических конференциях:

- на пяти ежегодных (XVI-XX) Международных научно-технических конференциях (МНТК) студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, проходивших в период с 2010 по 2014 год [4-9];

- на четырёх (XIX-XXII) МНТК «Современное телевидение и радиоэлектроника», в 2011,2012, 2013, 2014 годах [11-14];

- на XVIII международной научно-технической конференции «Современное телевидение», в 2010 году [10];

-на XXXVIII конференции «Академические чтения по космонавтике», в 2014 году [15];

- на Ш международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», в 2014 году [16].

Результаты работы были использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр «Стручок», выполненной кафедрой Электронные приборы «МЭИ (ТУ)» при непосредственном участии автора, а также хоздоговорной НИР шифр «Обзор-МЭИ», выполненных по заказу Министерства обороны РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели, задачи работы и положения, выносимые на защиту; отмечены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, степень достоверности полученных результатов; приведены сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе проведён анализ статистических свойств излучения близких к излучению естественных источников.

Статистические свойства процессов регистрации излучения и фотонного шума рассматриваются на основе полуклассической теории фоторегистрации. Предположения полуклассической теории фоторегистрации соответствуют задаче статистики дискретных независимых событий, имеющей решение в виде пуассоновского распределения. Анализ зависимостей распределения вероятности показывает, что флуктуации количества зарегистрированных фотонов в отдельном пикселе матрицы сопровождаются разбросом одиночных фотонов по пикселям при регистрации сверхслабых потоков фотонов.

Изображения, получаемые при таких потоках, обладают рядом особенностей. Они имеют шумоподобный характер и ярко выраженную дискретность. В них практически полностью отсутствуют области равной яркости. Такие изображения, как правило, малопригодны для непосредственного визуального восприятия, а традиционные критерии качества, такие как контраст и отношение сигнал-шум к ним малоэффективны.

В качестве критерия оценки информативности малофотонного изображения использовано корреляционное сопоставление исходного изображения и его малофотонного аналога. При этом моделирование малофотонных изображений проведено на основе статистики Пуассона в системе «МАТЬАВ».

На рис. 1 даны примеры трёх изображений одномерной синусоидальной миры. Формат изображений 100x100, период синусоидальной миры численно равен 10 пикселям. Рисунок 1. а) иллюстрирует изображение, полученное при среднем числе фотонов, приходящихся на пиксель, равном 0.1. На рис 1. б) и 2. в) представлены изображения, сформированные потоками 0.01 и 0.001 фотона на пиксель, соответственно.

Результаты моделирования - значений коэффициента корреляции в зависимости от величины среднего потока фотонов приведены на рис. 2. Точками

отмечены результаты моделирования, сплошной кривой - результат аппроксимации.

а) 0.1 фотон/пикс б) 0.01 фотон/пикс в) 0.001 фотон/пикс

Рис. 1. Изображения синусоидальной миры, реализованные при заданных величинах фотонного

потока в пикселях

Зависимость, приведенная на рис. 2, указывает на тенденцию снижения информационного содержания изображений по мере снижения интенсивности фотонного потока.

Поток фотонов, фотон/пиксель

Рис. 2. Зависимость коэффициента корреляции от величины потока фотонов. Точки - результат моделирования; сплошная кривая - результат аппроксимации

В представленной зависимости целесообразно выделить область значений коэффициента корреляции менее 0.1 и интенсивности фотонного потока менее 0.04 фотона на пиксель, в этой области изображение настолько искажено, что говорить о содержании такого изображения невозможно (примеры на рис. 1 б),в)). Значение коэффициента корреляции здесь также имеет значительный случайный разброс, обусловленный случайным разбросом фотонов. При значениях коэффициента корреляции более 0.8 и среднем значении фотонного потока более 10 фот/пикс изображение может быть визуально узнаваемо, что соответствует традиционным условиям работы приёмников изображений.

Анализируя зависимость на рис. 2, можно определить условия работы квантовых приёмников (потоки излучения порядка 10-10"' фотон/пиксель), при

которых существенно искажающее влияние фотонного шума, но корреляционный критерий и визуальное восприятие (рис. 1а)) позволяют говорить о наличии информации в изображении. Изображения, получаемые в определенных условиях работы и занимающие промежуточное положение между режимом счёта отдельных фотонов и традиционными изображениями, назовём малофотонными.

Во второй главе проводится обзор различных типов современных высокочувствительных приёмников изображений, позволяющих решать задачи регистрации сверхмалых потоков фотонов. В их число входят электронно-оптические преобразователи, лавинные фотодиоды и ПЗС матрицы с многокаскадным внутренним умножением фотоэлектронов (англ. electron multiplying CCD — EMCCD). Анализируются их особенности и принципы работы, параметры и характеристики, существенные с точки зрения оценки чувствительности. Приводятся некоторые факты из истории создания фоточувствительных приёмников изображений. Проводится выбор наиболее перспективного высокочувствительного приёмника изображения - ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением.

Дано описание архитектуры (рис. 3) и принципа работы ПЗС матрицы с многокаскадным внутренним умножением фотоэлектронов.

излучение

кристалл полупроводника

секция экспонирования изображения

секция хранения изображения

преобразователь заряд-напряжение

регистр чтения """ регистр умножения

Рис. 3. Архитектура ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением. Сплошными стрелками условно показано перемещение и умножение сигнального заряда

ПЗС-устройства оперируют зарядовыми пакетами, переносимыми электрическим полем МДП-конденсаторов в полупроводниковом кристалле. Умножение заряда в зарядовых пакетах осуществляется в регистре умножения,

9

который имеет структуру, аналогичную структуре регистра считывания. Тактирование регистра умножения осуществляется повышенным (по отношению к стандартным сигналам переноса) напряжением, что приводит к возникновению (инициированию) процесса лавинного пробоя при переходе заряда из ячейки в ячейку, в результате которого возникает 1.5-2 % дополнительного заряда. После прохождения нескольких сотен ячеек регистра общий коэффициент умножения может достигать величины порядка тысячи. Принцип каскадного электронного умножения в твердом теле близок к принципу каскадного электронного умножения в вакууме (в ФЭУ). Общим у этих принципов является низкий уровень шума процесса умножения электронов.

Работа каждой ячейки (каскада) умножения в начальном режиме электронной лавины позволяет существенно уменьшить дополнительный шум, вносимый процессом умножения, что выгодно отличает ЕМССБ-матрицы от матричных приёмников, в которых каждый фоточувствительный пиксель имеет свой умножитель - лавинный фотодиод. Однако такой принцип работы требует качественного исполнения полупроводниковой структуры и сложной системы управления сигналом высоковольтной фазы регистра умножения. При высоких требованиях к стабильности уровней высокого и низкого напряжений от 0 до 50 В требуется высокая частота переменного сигнала (несколько МГц) и высокая скорость переключения.

Важной дополнительной особенностью £А/ССО-матриц является использование так называемого обратного

освещения в сочетании с оптимизацией толщины

поглощающего слоя и нанесении просветляющих покрытий. Технология обратной засветки позволяет, во-первых, устранить потери, обусловленные

прохождением излучения через электроды при прямой засветке ГОС структуры, и, во-вторых, приблизить квантовую

эффективность матриц к

100

80

60

40

20

а о

/ ■V х 1

}

/ \

1 1 ? \

/ / N \

/ / •Л

V \

/1 \ |Ч

/ ( У \

0.4

0.6 0.8 1 Длина волны излучения, мкм

Рис. 4. Спектральные зависимости квантовой эффективности матрицы типа СС091 с обратным— 1 и прямым - 2 освещением; спектральная квантовая эффективность фотокатода ОаАэР - 3

теоретическому пределу в выбранном спектральном поддиапазоне. На рис. 4 для сравнения показаны типичные зависимости спектральной квантовой эффективности некоторых приёмников изображений.

Проведённый анализ спектральных квантовых эффективностей показал, что ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением наиболее эффективно используют фотонный поток в широком диапазоне длин волн. Приближающаяся к 93% квантовая эффективность минимизирует потери отдельных квантов

электромагнитного излучения, что является весьма важным при регистрации процессов, сопровождающихся излучением одиночных фотонов.

Существенным свойством устройств, использующих умножение сигнала, является собственный шум процесса умножения, проявляющийся в флуктуациях коэффициента умножения сигнала от измерения к измерению. Количественно данное свойство описывают фактором шума - коэффициентом, связывающим отношение сигнал-шум на выходе и выходе усиливающего устройства. Для сравниваемых устройств минимальным фактором шума, равным 1.3, характеризуются ПЗС матрицы с многокаскадным внутренним умножением фотоэлектронов.

Проведён обзор предлагаемых на рынке ПЗС матриц с внутренним электронным умножением и осуществлён выбор наиболее чувствительного приёмника. На основе справочных и литературных данных проведён расчёт шумовых характеристик - зависимостей отношения сигнал-шум от количества сигнальных фотоэлектронов в зарядовом пакете для различных режимов работы приёмника. Время накопления соответствует 0.065 с (15 Гц). Отношение сигнал-шум рассчитывается по формуле:

сигнал _ 5

~ М/М2 + ^ • • г + <т2ас + <т2)' 0)

gт - скорость термогенерации, электрон на пиксель в секунду; - фактор шума; М - среднее значение коэффициента умножения; г - время экспозиции, секунд; - шум чтения; аС/с- наведённый шумовой заряд; фотонный шум.

Ю-3 |1 I 1 '1 I ШИШ п_ш

10"' 1 10 ю2 ю3 ю4

сигнал,эл/пиксель

Рис. 5 Отношение сигнал-шум, как функция среднего числа сигнальных электронов в зарядовом пакете при различной температуре матрицы

Зависимости отношения сигнал-шум от количества электронов в зарядовом пакете на рис. 5 показывают, что чувствительность охлаждаемых матриц с внутренним электронным умножением приближается к теоретическому пределу в области величины сигнала менее одного фотоэлектрона в зарядовом пакете.

Третья глава посвящена разработке высокочувствительного ТВ-приёмника на базе выбранной EMCCD матрицы. В качестве приемника изображения выбрана EMCCD матрица фирмы «Е2 V Technologies» типа CCD91 с обратным освещением и встроенным Пельтье охладителем. Основным критерием выбора являлась наибольшая чувствительность этой матрицы.

Устройство макета можно разбить на электронные узлы: матрица CCD97; система управления на базе ПЛИС EP3C25Q240C8N семейства Cyclone III фирмы «Altera» и микросхемы аналоговой обработки сигнала типа AD9945KCPZ; блок преобразования уровней напряжений управляющих сигналов; блок питания.

Новым узлом, отличающем ТВ-камеры на базе EMCCD матриц, является схема формирования сигнала управления внутренним электронным умножением. Для управления процессом умножения необходимо преобразование цифрового импульсного сигнала в импульсы с амплитудой до 50В, при этом необходимо обеспечить высокую частоту сигнала (1-10 МГц) и высокую скорость переключения (25 не) при условии работы на емкостную нагрузку. Сложность разработки такого устройства превращает создание ТВ-устройств на базе EMCCD матрицы в сложную нестандартную задачу. Отметим, что в настоящее время только небольшому количеству производителей удалось решить задачу управления регистром умножения ТВ-устройств на базе EMCCD матриц. При этом, как правило, используются схемы, имеющие в своей основе резонансные элементы, что накладывает на возможности управления процессом внутреннего электронного умножения следующие ограничения: сложность изменения формы сигнала, трудности согласования фазы сигнала умножения с другими сигналами и ограничения на возможность перестройки рабочей частоты сигнала.

На рис. 7 изображен один из вариантов схемы, которые были моделированы в среде «Multisim». Применена схема типа полумост на комплементарных МДП транзисторах (Q\, Q2) с раздельным управлением транзисторами (¡71, U3) и емкостными развязками (R7-C3, R9-C6) сигнала управления затворами транзисторов. Такая схема позволяет обеспечить настраиваемые параметры выходного сигнала для исследований и поиска оптимального режима работы внутреннего электронного умножения. Принцип построения схемы и параметры отдельных элементов выбран на основе исследования различных вариантов схемы с помощью моделирования в программном пакете «.Multisim».

Рис. 7. Схема формирования сигнала управления внутренним электронным умножением

ЕМССО матрицы.

На рис. 8 изображены временные диаграммы сигналов управления схемой и сигнала управления высоковольтной фазы регистра умножения ЕМССО матрицы.

Применённая схема

формирования сигнала . управления внутренним электронным умножением позволяет получить сигнал необходимой формы: отсутствуют выбросы напряжения в импульсе и в паузе, обеспечены монотонные фронты импульсов, стабильность уровней напряжений и частота. Разработанный макет успешно реализует оптимальный режим работы многокаскадного внутреннего электронного умножения сигнала при кадровой частоте устройства, близкой к телевизионным стандартам.

В результате работы был создан макет высокочувствительного ТВ-устройства, внешний вид которого представлен на рис. 9.

22 нс

20 не

Рие. 8. Временные диаграммы основных сигналов (сверху вниз): открывающий верхний транзистор, подключение к высокому напряжению, открывающий нижний транзистор, подключение к низкому напряжению, поступающий на вывод высоковольтной фазы регистра умножения ЕМССО матрицы

Результаты разработки макета высокочувствительного ТВ-устройства использованы как основа для разработок в ходе хоздоговорной НИР шифр «Обзор-МЭИ».

Одним из перспективных направлений применения ТВ-устройств является создание многоканальных ТВ-систем, позволяющих получать большое количество информации в реальном масштабе времени, при этом каждый телевизионный канал такой системы может быть построен на базе типовых серийных ТВ-устройств. В частности, одной из актуальных Рис. 9. Внешний вид макета областей применения многоканальных

высокочувствительного ТВ-устройства ТВ-систем является создание

комплексов с повышенными углами обзора вплоть до 360 град, т.е. панорамных оптико-электронных комплексов.

В рамках НИР разработана высокочувствительная многоканальная оптико-электронная система с повышенным пространственным разрешением и полем зрения, включающая в себя три ТВ-устройства на базе ПЗС матриц с внутренним электронным умножением. Блок обладает необходимой предельной чувствительностью, составляющей 10"4 лк.

В четвёртой главе описана методика и лабораторная установка для создания малых и сверхмалых фотонных потоков и формирования малофотонных изображений

Необходимость получения малофотонных изображений присутствует во многих областях науки и техники: высокоскоростная спектрометрия; астрономия; микроскопия биологических объектов; регистрация квантовых процессов. Также весьма актуально повышение чувствительности ТВ-устройств в задачах видеонаблюдения.

Традиционные оценки предельных характеристик ТВ-приёмников, использующие в качестве сигнала величину освещённости, допускают наличие неоднозначностей в восприятии в силу определения световых величин (в частности освещённости) относительно человеческого глаза как приёмника излучения. В то время как большинство приёмников изображений имеют спектральные характеристики отличные от относительной спектральной чувствительности глаза по форме и охватывающие больший диапазон длин волн.

На данную проблему уже неоднократно указывали исследователи, предлагая два различных пути решения: либо приведение в соответствии с спектральной чувствительностью глаза спектральных характеристик

использующейся аппаратуры, либо отказ от характеристик, основанных на световых величинах и переход к фотонным спектральным величинам.

Проведен расчёт количества фотоэлектронов, регистрируемых ТВ-камерой на базе EMCCD-матрицы типа CCD91, в зависимости от освещённости объекта для различных световых эталонов. В настоящее время используются эталоны физических величин определяемые ГОСТ 8.417-2002. Эталоном единицы силы света является монохроматическое излучение с частотой 540Т012 Гц (Х.=555 нм), с интенсивностью излучения 1/683 Вт/ср. Также проведён расчёт для действовавшего ранее эталона - чёрного излучателя, при температуре затвердевания платины (2043 К). Сила света такого эталонного излучателя (площадью S„ =1/60 см2) составляет 1 канделу. Расчёт показал высокую количественную неоднозначность значений фотонных потоков при использовании различных световых эталонов. В результате было принято решение проводить расчёт на основе величины спектральной плотности потока фотонов. При этом для практических оценок осуществляется расчёт некоторых выходных параметров в единицах освещённости - люксах.

Для решения поставленной задачи требуется реализовать сверхмалые величины освещённости объекта оптическим излучением с заданными свойствами. При этом свойства излучения должны быть близки к свойствам излучения в условиях естественной освещённости.

Излучение в естественных условиях характеризуется следующими свойствами: непрерывным спектром, низкой когерентностью, отсутствием поляризации, независимым характером отдельных фотонных событий. Определяющим здесь является тепловой характер естественных источников.

Существующие методы световых измерений базируются на использовании вторичных эталонных источниках излучения: лампах накаливания, светоизлучающих диодах, лазерах. Данные источники калибруются для строго заданных режимов работы, поэтому излучение ослабляют оптическими способами. Оптические методы ослабления имеют ряд существенных недостатков. Для создания малофотонных изображений целесообразно применить модель абсолютно чёрного тела с изменяемой температурой излучающей полости.

В качестве источника излучения выбрана модель абсолютно чёрного тела М-360 фирмы «Mikron Infrared». Современные лабораторные модели АЧТ позволяют регулировать температуру излучающей полости с точностью в 1 градус Цельсия (°С) в диапазоне от комнатной температуры до 1000 °С. Эффективный коэффициент излучения в видимом диапазоне электромагнитного излучения составляет величину не менее 99%. Основными преимуществами использования модели АЧТ является как высокая точность, так и возможность регулировать интенсивность излучения за счёт изменения температуры нагретой полости в широком диапазоне, что позволяет исключить сложные оптические устройства для регулирования светового потока. Также параметры фотонного потока могут быть точно рассчитаны на основе фундаментальных физических соотношений, таких как закон Планка.

Условная схема экспериментальной установки представлена на рис. 10. В качестве источника излучения использована модель АЧТ типа Л/-360. Изображение выходного отверстия АЧТ переносится в плоскость тест-объекта с помощью конденсора. Освещённость в плоскости тест-объекта измерялась люксметром типа РСЕЛ12. Тест-объектом служила стандартная штриховая мира ГОСТ 15114-78. Коллимирующий объектив формирует изображение тест-объекта, удалённое на бесконечность. Полосно-пропускающий светофильтр выделяет из спектра излучения АЧТ область длин волн 420-680 нм. Конденсор Коллиматор

модель \ Л |

* ТВ-приёмник |

Светозащитный корпус Тест-объект Светофильтр

Рис. 10. Условная схема экспериментальной установки

При известных параметрах оптических элементов возможно рассчитать освещённость (3) тест-объекта в зависимости от температуры излучающей полости модели АЧТ и фотонный поток (4), приходящий на каждый элемент фоточувствительной матрицы ТВ-устройства.

Ev =683

I-

с2 -h

Г ь'с л -i / Í- 12] -1/2 N

ек-я-т _! 1-

V \ 1 16-^2J У

■ v(X)-d;i,

(2)

где X - длина волны излучения; Т- температура АЧТ; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; к - постоянная Больцмана, V(l) - относительная спектральная чувствительность глаза, Fk - относительное отверстие конденсора, 683 - размерный коэффициент.

f h.r N-i

N-K-Sn ■t

Г4-с

J Я4

he эк-Х-Т

-1

r(X)-Qe(X)-dÁ,

(3)

где 5П - площадь пикселя матрицы ТВ-устройства; < - время экспозиции; т(Х) -спектральная характеристика пропускания светофильтра ; - спектральная квантовая эффективность матрицы ТВ-устройства; К - коэффициент, учитывающий оптические преобразования светового потока.

Графики зависимостей освещённости в плоскости апертуры выходного отверстия АЧТ и в плоскости тест-объекта с учётом характеристик используемого конденсора представлены на рис. 11.

400 600 800 1000

Температура полости АЧТ, град Рис. 11. Зависимости освещённости от температуры полости модели АЧТ

Дополнительно разработаны методики калибровки установки и проверки качества светоизоляции. Калибровка осуществляется

стандартным люксметром при высоких значениях освещённости тест-объекта. Калибровка

спектральной функции пропускания оптической системы осуществлялась спектрометром типа Е308-02-10. Проверка качества светоизоляции осуществляется сопоставлением шумовых параметров изображений, полученных при закрытом объективе тестируемого ТВ-устройства и

полученных на установке при отключенном источнике излучения.

В пятой главе описаны экспериментальные исследования, выполненные в ходе диссертационной работы.

При подготовке к экспериментальным исследованиям проведена калибровка источника излучения при помощи люксметра, показавшая совпадение измеренных значений освещённости в плоскости тест-объекта с рассчитанными теоретически и приведённым на рис. 9. Проведена проверка светоизоляции установки при помощи разработанного макета высокочувствительной ТВ-камеры. Сигнал изображения , полученный в закрытой установке при отключённом источнике излучения, совпадает с сигналом полностью закрытой от внешнего излучения £МСС£>-матрицы - темновым сигналом. Это показывает, что остаточная освещённость в установке мала по сравнению с порогом чувствительности приёмника.

С помощью разработанного макета высокочувствительной ТВ-камеры получены изображения тест-объекта и равномерно освещённого поля в нескольких режимах работы:

1) при комнатной температуре ЕМССО-матрицы (без охлаждения) и без внутреннего электронного умножения сигнала;

2) без охлаждения при наличии внутреннего электронного умножения;

3) с охлаждением ЕМССВ-матрицы до температуры минус 30°С при наличии внутреннего электронного умножения сигнала.

Примеры изображений полученных в режиме, обеспечивающем максимальную чувствительность, показаны на рис. 12.

40 фот/пикс.

3 фот/пикс, 4.5-10"7 люкс

Рис. 12. Изображения тест-объекта, полученные с помощью высокочувствительной ТВ-камеры, при различной интенсивности фотонного потока и освещённости тест-объекта, при охлаждении ЕМССО-матрицы до температуры - 30°С и внутреннем электронном умножении сигнала

По результатам измерений вычислены значения отношения сигнал-шум в зависимости от освещённости тест-объекта, и проведено их сравнение с теоретически рассчитанными в главе 2 значениями.

Полученные зависимости показывают, что разработанный макет высокочувствительной ТВ-камеры позволяет получать изображения при сверхмалых фотонных потоках за счёт использования внутреннего электронного умножения и охлаждения сенсора.

Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими расчётами и говорят о получении изображений с помощью макета ТВ-камеры при оговоренных режимах работы, когда качество изображения ограничивается предельными значениями, обусловленными фотонным шумом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты.

• На основе теоретического (корреляционного) анализа и компьютерного моделирования подтверждена возможность извлечения информации из изображений ТВ-камер, полученных при фотонных потоках порядка единиц (среднее значение) приходящих на элемент (пиксель) фоточувствительной матрицы.

• На базе разработанного ТВ-устройства экспериментально продемонстрирована эффективность использования внутреннего электронного умножения в матричных ТВ-приёмниках изображений, позволившая продвинуться более чем на порядок в область сверхмалых значений освещённости.

• Разработана методика реализации тестовых изображений, формируемых сверхмалыми, однородными, регулируемыми потоками фотонов высокоточной модели АЧТ.

• Показано, что ТВ-приёмники на базе ПЗС матриц с внутренним каскадным электронным умножением обеспечивают наивысшее информационное качество оптико-электронных систем при сверхмалых потоках фотонов.

18

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Основное содержание диссертации изложено в 16 печатных работах.

Публикации в рецензируемых научных изданиях для публикации основных результатов диссертаций, рекомендованных ВАК:

1. Казначеев С.А. Особенности получения ТВ-изображений при ограниченных потоках фотонов // Наука и образование, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 г., №6, режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/716587.html (дата обращения 04.09.2014).

2. Бодров В.Н., Казначеев С.А., Князев A.M. Низкоуровневое телевизионное устройство на базе фоточувствительной ПЗС-матрицы с внутренним электронным умножением // Вестник МЭИ, 2014 г., №3, С. 69-75.

3.Бодров В.Н., Казначеев С.А., Князев А.М. Особенности извлечения информации из ТВ-изображений при ограниченных потоках фотонов // Российский научный журнал, 2014 г., № 1 (39), С. 286-293.

Публикации в прочих изданиях:

4. Казначеев С.А., Обидин Г.И. Методика расчёта и формирования малофотонных потоков. II Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ, 2009 г., С.178-179.

5. Казначеев С.А., Обидин Г.И. Моделирование изображений, формируемых сверхнизкоуровневой ТВ-камерой. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: .Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2010 г., С.217.

6. Казначеев С.А., Бодров В.Н. Установка для испытания сверхнизкоуровневых ТВ-устройств в однофотонных режимах. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2011 г., С.223-224.

7. Казначеев С.А., Бодров В.Н. Вопросы исследования ТВ-камер на базе ПЗС матриц при сверхнизких уровнях естественной освещённости. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 4 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г, С.218.

8. Казначеев С.А., Бодров В.Н. ТВ-камера на базе EMCCD матрицы. Практическая реализация. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 4 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2013 г., С.199.

9. Казначеев С.А., Бодров В.Н. Повышение быстродействия регистра умножения ТВ-камер на базе EMCCD матриц. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 4 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2014 г., С.186.

Ю.Бодров В.Н., Казначеев С.А., Обидин Г.И. Моделирование процесса формирования малофотонных телевизионных изображений. // Современное телевидение. Труды 18-й Международной научно-технической конференции , Москва, Россия 16-17 марта 2010 г. М.: ФГУП «МКБ «Электрон», 2010 г., С.113-118.

П.Бодров В.Н., Казначеев С. А., Обидин Г.И. Малофотонные телевизионные изображения, их реализация и проблемы. // Современное телевидение и радиоэлектроника Труды 19-й Международной научно-технической конференции, Москва, Россия 15-16 марта 2011 г. М.: ФГУП «МКБ «Электрон», 2011 г., С.94-97.

12. Бодров В.Н., Казначеев С.А., Обидин Г.И. Перспективы использования ПЗС-матриц с внутренним электронным умножением для получения малофотонных изображений. // Современное телевидение и радиоэлектроника. Труды 20-й Международной научно-технической конференции , Москва, Россия 20-21 марта 2012 г. М.: ФГУП «МКБ «Электрон», 2012 г. С.90-93.

13. Бодров В.Н., Казначеев С.А., Обидин Г.И. Статистические свойства излучения абсолютно чёрного тела, как источника фотонных потоков слабой интенсивности. // Современное телевидение и радиоэлектроника. Труды 21-й Международной научно-технической конференции, Москва, Россия 19-20 марта

2013 г. М.: ФГУП «МКБ «Электрон», 2013 г., С.164-167.

14. Казначеев С.А. Результаты работы телевизионного устройства на базе ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением. // Современное телевидение и радиоэлектроника. Доклады 22-й Международной научно-технической конференции, Москва, Россия,18 марта 2014 г. М.: СКБ «Электрон»,

2014 г., С.31-34.

15. Бодров В.Н., Казначеев С.А. Проблемы создания низкоуровневых ТВ-камер на базе ПЗС-матриц с внутренним электронным умножением (EMCCD) // Ракетные комплексы и ракетно-космические системы — проектирование, экспериментальная отработка, лётные испытания, эксплуатация: Труды секции 22 имени академика В.Н. Челомея ХХХУШ Академических чтений по космонавтике. Посвящаются 100-летию со дня рождения В.Н. Челомея. Реутов, 31 января 2014 г./ Под общей редакцией д.т.н. А.Г.Леонова, 2014 г., С. 377-378.

16. Казначеев С.А. Особенности получения ТВ- изображений при ограниченных потоках фотонов. // Аэрокосмические технологии: Научные материалы Третьей международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея (Российская федерация, Реутов - Москва, 20 - 21 мая 2014) / Под ред. Симоньянца Р.П. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 г., С. 121-122.

Подписано в печать Зак.ХЙ И Тир. 'W П.л. /, №

Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13