Разработка телевизионного приёмника, использующего эффект внутреннего электронного умножения для повышения эффективности регистрации и исследований малофотонных изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Казначеев, Сергей Александрович

• Казначеев, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Казначеев, Сергей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА. 1. ФОТОННЫЙ ШУМ И РЕГИСТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

1.1. Основные статистические свойства фотонного шума

1.2. Моделирование малофотонных изображений

1.3. Выводы

ГЛАВА 2. ОБЗОР ВЫСОКОЧУВТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ

2.1. Основные виды высокочувствительных приёмников изображений

2.2. Проблемы использования лавинного умножения в полупроводниковых приёмниках изображений

2.3. Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (ЕМССЭ)

2.4. Основные шумовые характеристики и параметры ЕМССЭ матриц

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТВ-ПРИЁМНИКА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА БАЗЕ ПЗС МАТРИЦЫ С ВНУТРЕННИМ ЭЛЕКТРОННЫМ УМНОЖЕНИЕМ

3.1. Выбор типа ЕМССЭ приёмника

3.2. Управление ЕМССЭ матрицей

3.3. Средство управления ЕМССБ матрицей - ПЛИС

3.4. Структурная схема макета ТВ-камеры

3.5. Разработка преобразователя сигнала управления внутренним электронным умножением

3.6. Электронные блоки и модули ТВ-камеры

3.7. Разработка печатных плат

3.8. Монтаж макетного образца ТВ-камеры

3.9. Структура охлаждаемого фотоприёмного устройства

3.10. Использование результатов разработки. Макет многоканальной ТВ-системы

3.11. Выводы

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОРОДНЫХ СВЕРХМАЛЫХ ФОТОННЫХ ПОТОКОВ

4.1. Задачи регистрации сверхмалых фотонных потоков

4.2. Величины и термины, характеризующие оптическое излучение

4.3 Методика формирования сверхмалых фотонных потоков для формирования малофотонных изображений

4.4 Установка для получения сверхмалых потоков излучения

4.5. Энергетический расчёт установки

4.6. Выводы

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Задачи экспериментальных исследований

5.2. Подготовка к эксперименту

5.3. Результаты экспериментов

5.4 Особенности работы внутреннего электронного умножения при высоких значениях коэффициента умножения

5.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1

Приложение 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка телевизионного приёмника, использующего эффект внутреннего электронного умножения для повышения эффективности регистрации и исследований малофотонных изображений»

ВВЕДЕНИЕ

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 £Л/СС2Э-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 £МСС£>-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.

ЕМССВ-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.

Цель диссертационной работы

Целью 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.

Задачи диссертационной работы

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.

Разработаны 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 Ю'МО"4 люкса .

Теоретическая и практическая значимость работы

В работе показана возможность извлечения информации из телевизионных изображений при уровнях освещённости 10-10° люкс, за счет использования эффекта внутреннего каскадного умножения фотоэлектронов в ПЗС матрицах.

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

Экспериментально продемонстрирована возможность использования ТВ-устройств на базе ПЗС матриц с каскадным внутренним электронным умножением для регистрации изображений при сверхнизких уровнях освещённости порядка 10"4-10"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 построена 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 и прикладных программных пакетов, таких как "Mathcad", "MATLAB" фирмы "The MathWorks lue". 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", "MATLAB" фирмы "The MathWorks Inc".

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 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.

Отмеченные обстоятельства позволили обеспечить достоверность и хорошую воспроизводимость результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту

Повышение эффективности процесса регистрации ТВ-изображений за счёт использования внутреннего электронного умножения в ПЗС 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

Цели и задачи настоящей диссертационной работы были поставлены руководителем диссертационной работы профессором кафедры Электронные приборы, кандидатом технических наук Бодровым В.Н.

По результатам диссертационной работы было опубликовано 15 научных работ, в том числе три статьи в изданиях, рецензируемых ВАК [1-3], сделаны доклады на тринадцати научно-технических конференциях.

- на пяти (ХУ1-ХХ) МНТК студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика проходивших в период с 2010 по 2014 гг [4-9];

на четырёх (Х1Х-ХХИ) МНТК «Современное телевидение и радиоэлектроника», в 2011, 2012, 2013, 2014 годах [10-13];

- на XVIII международной научно-технической конференции «Современное телевидение», 2010 г. [14];

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

на III международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», 2014 г. [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.

ГЛАВА. 1. ФОТОННЫЙ ШУМ И РЕГИСТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

1.1. Основные статистические свойства фотонного шума

Природа фотонного шума заключается в дискретном характере детектирования потока излучения квантовыми приемниками и отражает фундаментальные природные закономерности [17].

Статистические свойства процессов регистрации излучения и фотонного шума удобно рассмотреть на основе полуклассической теории фоторегистрации.

Удобство полуклассического подхода заключается в классическом рассмотрении электромагнитных полей, при этом в квантовом представлении рассматривается только процесс взаимодействия излучения с фоточувствительным материалом.

Так как изучение случайных процессов при излучении и распространении электромагнитных волн выходит за рамки данного исследования, при рассмотрении предполагается отсутствие пространственно-временных флуктуаций интенсивности излучения.

Полуклассическая теория базируется на следующих предположениях. Вероятность фотособытия на площади фоточувствителыюй поверхности, малой по сравнению с площадью когерентности света, за время, меньшее времени когерентности, пропорциональна интенсивности волны, длине интервала времени и площади фоточувствительной поверхности. Вероятность более одного фотособытия в рассматриваемых интервалах времени и площади пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью одного фотособытия и отсутствия фотособытий. Фотособытия в двух неперекрывающихся интервалах времени независимы.

Данные предположения соответствуют задаче статистики дискретных независимых событий, имеющей решение в виде пуассоновского распределения.

Для распределения Пуассона вероятность наблюдения заданного числа фотоотсчётов во временном интервале (¿,?+т) определяется формулой [18]:

Р{ЩЛ + = (1.1)

_ N1

Где N - число фотоотсчётов; N - среднее число фотоотсчётов во временном интервале

Приведём расчёт распределения вероятностей регистрации различного числа фотонов для нескольких вариантов средней интенсивности потока фотонов.

012345678 012345678

Количество фотонов в реализации

Рис. 1.1 Примеры распределения вероятностей Пуассона со средними значениями

1 (слева), 0.1 (справа)

Очевидно при регистрации фотонного потока матричным приёмником излучения количество зарегистрированных фотонов в каждом элементе приёмника - пикселе - также подчиняется распределению Пуассона.

Для статистики Пуассона численное значение среднеквадратичного отклонения стп равно квадратному корню из среднего значения случайной

величины N

(1.2)

Если использовать критерий сигнал-шум, то можно получить следующую зависимость этого критерия от измеряемой величины - количества регистрируемых фотонов в пикселе матрицы.

Очевидно, что при N=1 соотношение сигнал-шум равно 1, что является

(1.3)

пределом (порогом) для достоверного измерения сигнала. При N<1 соотношение сигнал/шум меньше единицы и точное измерение потока невозможно.

При регистрации потока фотонов высокой интенсивности значение сигнала будет иметь разброс значений, значительно превышающий сигнал от одиночного фотона, так сигнал будет иметь практически непрерывный характер. При снижении интенсивности потока фотонов набор возможных значений сигнала будет уменьшаться. Получаемые при таких потоках изображения 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, отношение сигнал/шум малоэффективны.

Анализ зависимостей распределения вероятности показывает, что флуктуации количества зарегистрированных фотонов в пикселе вырождаются в разброс одиночных фотонов по пикселям при сверхслабых потоках фотонов.

Так как свет имеет квантовую природу и при среднем потоке в пикселе матрицы менее единицы возможные реализации процесса регистрации сводятся к двум возможным вариантам:

- фотон зарегистрирован (сгенерирован фотоэлектрон);

- фотон не зарегистрирован (сигнал отсутствует).

Однако можно предположить, что в хаотическом распределении одиночных фотонов по пикселям кадра, полученном при потоках в среднем менее фотона на пиксель, существует информация о изображении.

Оценка информационного содержания изображения, состоящего из элементов, имеющих ярко выраженную дискретизацию по интенсивности вплоть до бинарного, требует нестандартного подхода.

1.2. Моделирование малофотонных изображений

Для случая непрерывного как в пространстве, так и по абсолютной величине интенсивности изображения информационное содержание определяется свойствами приёмника - количеством элементов разложения, определяемым пространственным разрешением приёмника, и количеством градаций интенсивности сигнала, определяемым отношением сигнал-шум [19].

Для малофотонных изображений, имеющих квантование сигнала, определяемое квантовой природой излучения, данный принцип может быть использован лишь для оценки верхнего предела информационного содержания, так как значительная часть информации будет описывать расположение отдельных фотоотсчётов, не несущих непосредственно информацию о изображении исходного объекта.

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

Моделирование проводилось в системе МАТЬАВ, которая является языком программирования высокого уровня для выполнения вычислений. Базовым элементом системы является массив элементов, не требующий фиксированной размерности, что делает систему удобной для проведения обработки изображений [20].

Случайный процесс, представляющий регистрацию фотонов, моделируется с использованием встроенной функции ро18Бгпс1, генерирующей псевдослучайные целые числа, соответствующие распределению Пуассона. В качестве параметра

функции выступает среднее количество фотонов - N, зарегистрированных в пикселе за время экспозиции .

На рис. 1.2, в качестве примера, представлены картины трёх изображений однородного пространственного распределения, полученные в результате

моделирования при средних значениях количества фотоэлектронов в пикселе 0.1, 0.01 и 0.001 соответственно.

а) б) в)

Рис. 1.2 Примеры изображений, получаемых при различных средних значениях потоков

фотонов (см в тексте)

На рис. 1.3 даны примеры трёх изображений одномерной синусоидальной миры. Формат изображений 100x100, период синусоидальной миры численно равен 10 пикселям. Рисунок 1.3 а) иллюстрирует ситуацию при среднем числе фотонов, приходящихся на пиксель, равном 0.1. На рис 1.3 б) и в) представлены картины, сформированные потоками фотонов 0.01 и 0.001 фотона на пиксель соответственно.

а) б) в)

Рис. 1.3 Изображения синусоидальной миры, реализованные при заданных величинах

фотонного потока (см в тексте).

На рис. 1.3 а) визуально ещё можно наблюдать пространственную периодичность синусоидальной миры. Однако на рис. 1.3 б) и 1.3 в) периодичность визуально практически незаметна.

Результаты расчёта коэффициента корреляции в зависимости от величины среднего потока фотонов приведены на рис. 1.4. Точками отмечены результаты моделирования. Сплошной кривой показан результат аппроксимации по методу наименьших квадратов зависимостью вида

с(ю= а^

^Ь + а-Ы ' где а и Ь - определяемые величины.

(1.4)

к к

Я"

«и о.

о.

§

н X и к сг к

•е -еЛ

о

Ю'1

10"

10"

10^

10"3 10"2 10"1 1 10 Плотность потока фотонов в пикселе-(за один кадр)

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента корреляции тестового изображения и его малофотонного аналога 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. 1.3 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.

102

Анализируя зависимость на рис. 2, можно определить условия работы квантовых приёмников (потоки излучения порядка 10-10"1 фотон/пиксель), при которых существенно искажающее влияние фотонного шума, но корреляционный критерий и визуальное восприятие (рис. 1.3 а) ) 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.

В реальной ситуации при фоторегистрации всегда присутствует паразитный сигнал, созданный термогенерированными или иными носителями заряда. Распределение интенсивности этого сигнала по полю изображения близко к равномерному. Поэтому в моделируемый процесс целесообразно ввести случайный по всему полю изображения разброс отсчётов. Графики зависимостей коэффициентов корреляции исходных образов малофотонных аналогов в присутствии равномерной помехи различной величины представлены на рис. 1.5.

10°

к

к

я

о?

Ч

и

о.

ех

о

и

н

к

<и

к

я

к

-е

-е-

(Т> О

10

10

10

-з

10

-з

...../« ,Г*" - | I I |'| ........

/Г у; ; /: ;

•О»

<6- ■ ; г.

.Л •............А'..................■

■ - ■

10

-2

' '' | | | *' 'I

_' ' | | 111

10

10'

10

-2

10

10

10

10

Поток фотонов , фотон/пиксель

Рис. 1.5 Зависимость коэффициента корреляции тестового изображения и его малофотонного аналога от величины потока фотонов при различных значениях равномерного помехового

сигнала.

18

1.3. Выводы

В результате анализа статистических свойств фотонного шума при регистрации изображений показано влияние дискретной природы фотонного потока.

Проведение моделирования на основе корреляционного сопоставления исходных и моделированных изображений показывает характер изменения информативности получаемых малофотонных образов. Корреляционный критерий является критерием информационного содержания изображений, одним из наиболее близких к зрительному восприятию образов и используется в большинстве систем технического зрения.

Моделирование позволило определить диапазон значений фотонных потоков, при которых информационное содержание резко падает с уменьшением интенсивности фотонного потока. Моделирование также учитывает влияние помеховых сигналов, проявляющихся аналогично фотоотсчётам в виде одиночных выбросов сигнала. Изображения, получаемые при таких значениях потоков излучения, можно назвать малофотонными. Необходимость исследования данной области сигналов становится актуальной с появлением и развитием приёмников изображений близких по характеристикам к идеальным квантовым приёмникам.

ГЛАВА 2. ОБЗОР ВЫСОКОЧУВТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЁМНИКОВ

ИЗОБРАЖЕНИЙ

2.1. Основные виды высокочувствительных приёмников изображении.

В настоящее время для регистрации одиночных квантов излучения существуют различные виды как полупроводниковых, так и вакуумных электронных приборов. Фундаментальным принципом работы данных приборов является умножение носителей заряда - лавинный пробой в полупроводниковых и вторичная электронная эмиссия в вакуумных электронных приборах.

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.

Вакуумные приёмники. Электронно-оптические преобразователи

Электронно-оптические преобразователи имеют уже достаточно продолжительную историю, причём наиболее бурным этапом развития было начало использования ЭОП в 60-х 80-х годах XX века. За это время были изобретены первые поколения ЭОП-ов, различающиеся как принципами действия, так и конструкциями. Поэтому целесообразно остановиться на наиболее современных конструкциях электронно-оптических преобразователей.

Современные электронно-оптические преобразователи осуществляют усиление сигнала за счёт вторичной электронной эмиссии в микроканальной пластине. Конструкция современного ЭОП представлена на рис. 2.1.

Фотокатод наносится на внутреннюю поверхность входного окна и преобразует входной поток фотонов в поток фотоэлектронов. Фотоэлектроны захватываются электрическим полем и попадают на микроканальную пластину. К микроканальной пластине прикладывается высокое напряжение, и ускоренные электроны приобретают достаточную энергию для выбивания вторичных электронов из стенок микроканалов. Эти вторичные электроны, в свою очередь ускоряются и также участвуют в процессе умножения. Таким образом, электронный поток умножается в несколько тысяч раз. Величина коэффициента умножения зависит от приложенного к МКП напряжения. Умноженный поток электронов попадает на экран с нанесённым люминофором, который осуществляет их преобразование в оптическое излучение.

фотокатод

Электроды

люминофор

и

о £

к

вакуумированныи ' корпус

С>

и £

со

3

оптоволоконный вывод изображения

потоки электронов

микроканальная пластина

Рис. 2.1 Устройство современного электронно-оптического преобразователя ЭОП сам по себе не является устройством, регистрирующим изображение. Для непосредственных визуальных наблюдений (например, в приборах ночного видения) ЭОП-ы могут быть использованы самостоятельно, но для регистрации изображений ЭОП совмещают с матричным приёмником изображения. Совмещение осуществляют либо оптическим способом: свечение люминофора

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Казначеев, Сергей Александрович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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 №3 С. 69-75.

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

4. Казначеев С.А., Обидин Г.И. Методика расчёта и формирования малофотонных потоков. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 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. 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. 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. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.218.

8. Казначеев С.А., Бодров В.Н. ТВ-камера на базе ЕМССО матрицы. Практическая реализация. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 4 т. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 199.

9. Казначеев С.А., Бодров В.Н. Повышение быстродействия регистра умножения ТВ-камер на базе ЕМССО матриц. // Радиоэлектроника, энергетика и электротехника: Двадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. В 4 т. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С.186.

Ю.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.

П.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.

12.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.

13.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.

14.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.

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

16.Казначеев С.А. Особенности получения ТВ- изображений при ограниченных потоках фотонов. // Аэрокосмические технологии: Научные материалы Третьей международной научно-технической конференции, посвящённой 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. С. 121-122.

П.Ахманов С.А., Д.яков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в

статистическую радиофизику и оптику. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981 г. - 640 с.

18.Гудмен. Дж. Статистическая оптика: Перс англ. - М.: Мир, 1988 г. - 528 с.

19. Вострокнутов Н. Г. Информационно-измерительная техника (теоретические основы) : Учебное пособие для вузов. - М. : Высшая школа, 1977 . - 232 с.

20.Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB, Москва, Техносфера, 2006.

21.Тарасов В.В. ,Якушенков Ю.Г. Современное состояние и перспективы развития зарубежных тепловизионных систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 3, СС 1-13

22.Садыгов З.Я., Бурбаев Т.М., Курбатов В.А. Лавинный фотодиод со свойствами структуры металл-диэлектрик-полупроводник // Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 с.115-119.

23.Лукьянчикова Н.Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах. - М.: Радио и связь. 1990. - 296 с.

24.Donal J. Denvir; Emer Conroy Electron multiplying CCDs, Published: 19 March 2003; 14 pages; 29 papers // Proc. SPIE 4877

25.George M. Williams, Jr., Alice L. Reinheimer, C. Bruce Johnson Back-illuminated and electron-bombarded CCD low light level imaging system performance Published: 8 September 1995; 16 pages; 32 papers//Proc. SPIE 2551

26.Paul R Jorden, Mark Downing, Andrew Harris Improving the red wavelength sensitivity of CCDs, Published: 2 July 2010; 11 pages; 68 papers // Proc. SPIE Vol. 7742

27. Корнышев H. П. Оценка порогового контраста слабо люминесцнрующих объектов // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. Вып. 2, 2010 г. СС 56-65.

28. Janesick James R. Scientific charge-coupled device, The society of Photo-Optical Instrumentation Engineering, Bellingham 2001 - 906 p.

29.E2V Technologies Low-Light Technical Note 2 The Use of Multiplication Gain in L3VisionTM Electron Multiplying CCD Sensors A1 A-Low-Light Technical Note 2 Issue 4, July 2003 Режим доступа:

http://www.e2v.com/shared/content/resources/File/documents/imagin g-space-and-scientific-sensors/Papers/low_light_technical_note_2.pdf (дата обращения 24.6.2014)

30.CCD97-00 Back Illuminated 2-Phase IMO Series Electron Multiplying CCD Sensor. Режим доступа:

http ://www. e2 v. com/resources/account/download-datasheet/1487 (дата обращения 24.6.2014)

31.Andor Technology Ltd. оф.сайт Режим доступа www.andor.com (дата обращения 24.6.2014)

32.Cyclone III Device Handbook http://www.altera.com/literature/hb/cyc3/cyclone3_handbook.pdf

33.AD9945 Complete 12-Bit 40 MHz CCD Signal Processor http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9945.PDF

34.EL7457 Data Sheet January 26, 2012 http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn72/fn7288. pdf

35.LM117HV/LM317HV 3-Terminal Adjustable Regulator http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lml 17hv.pdf

36.LM1117/LM11171800mA Low-Dropout Linear Regulator http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lml 117-n.pdf

37.ADP3367 +5 V Fixed, Adjustable Low-Dropout Linear Voltage Regulator http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP3367.pdf

38.MC79LXXA/LM79LXXA3-Terminal 0.1 A Negative Voltage Regulator http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM79L05A.pdf

39. О Daigle, O. Djazovski, M. Francoeur, D. Laurin, R Doyon EMCCDs: 10 MHz and beyond, Published: 2014 // Proc. of SPIE Vol. 9154 91540B-12 режим доступа http://proceedings.spiedigitallibrary.org (дата обращения 03.06.2015)

40.Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд.2-е, перераб. и доп. - М.: Издательский дом Додэка-ХХ1, 2005 г. - 384 с.

41.EL7156 Data Sheet May 2, 2007 http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/el71/е17156.p df

42.Digital Camera Fundamentals (Andor). http://www.andor.com/pdfs/Digital%20Camera%20Fundamentals.pdf

43.Уваров H.E. Секреты высокой чувствительности ТВ-камер // "Алгоритм безопасности", №6, 2002

44.Крутик М.И., Майоров В.П. Люмены, канделы, ватты и фотоны. Различные единицы - различные результаты измерения чувствительности телевизионных камер на основе ЭОП и ПЗС // "Специальная техника", №5, 2002г.

45.Межгосударственный стандарт ГОСТ 8.417-2002 "Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин"

46.Матвеев А.Н. Оптика: учеб пособие для физ. спец. ВУЗов, М.: Высшая школа, 1985. - 351с.

47.Основы оптической радиометрии / Под ред. А.Ф. Котюка. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

48.Русин С.П., Рассел М.М. Идентификация модели чёрного тела по данным расчёта и спектрального эксперимента. - Обозрение прикладной и промышленной математики, 2007, т. 14, в.З, с.560-561

49.Mikron Blackbody Radiation Calibration Sources - Transcat //www.transcat.com/PDF/blackbody.pdf

50.ГОСТ 15114-78 "Системы телескопические для оптических приборов"