Название: Многоэлементные фотоприемные устройства и тепловизоры - Учеб. пособие. (Илюшин В.А.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1299


2.3.2.  несканирующие системы

 

Для описания фотоэлектрических характеристик приемников с накоплением принято использовать параметры, очень близкие по своему определению к параметрам приемников мгновенного действия. По аналогии с приведенной обнаружительной способностью приемников мгновенного действия (6) предельную чувствительность приемников с накоплением сигнала характеризуют величиной

 ,                                   (15)

где – время накопления заряда в чувствительном элементе.

Сравнивая (15) и (6) видим, что параметру "время накопления"  несканирующей системы соответствует параметр  сканирующей системы. Если первый фактически равен времени кадра, то второй, определяемый уравнением (12), зависит от числа элементов в матрице и стремится к , когда число элементов матрицы приближается к числу элементов разложения изображения.

Введение величины  вместо  позволяет использовать приведенные ранее выражения, описывающие характеристики сканирующих систем, для описания соответствующих характеристик несканирующих систем. Так, вместо уравнения (7), определяющего отношение сигнал-шум в сканирующей системе, имеем

 ,             (16)

а вместо уравнения (11), определяющего контраст теплового изображения объекта по отношению к фону при ,

 

         (17)

где ;  – относительная спектральная характеристика приемника излучения.

Как и приемники мгновенного действия, приемники с накоплением сигнала достигают предельно возможной чувствительности в условиях, когда их шумы определяются флуктуациями фонового излучения, т. е. работают в режиме ОФ. В этом случае шум (измеряемый числом электронов) равен квадратному корню из числа носителей заряда, накопленных фоточувствительной ячейкой за счет поглощения потока фонового излучения :

 .                                (18)

Если при облучении ячейки энергетическим потоком излучения от объекта

                                      (19)

ячейкой накапливается сигнал (также измеряемый числом электронов)

,                                  (20)

то из выражения

                   (21)

получим значения  в условиях ограничения флуктуациями фона:

  (22)

Подставив  в уравнение (16) и учитывая (1) и (19), получим

               (23)

Уравнение (23) показывает, что в режиме ограничения фоном приемник с накоплением может обеспечить высокое отношение сигнал-шум, если велико время накопления сигнала.

Важнейшим фактором, определяющим максимальное значение времени накопления является время заполнения потенциальной ямы , в которой накапливается заряд. Время заполнения, в свою очередь, зависит от емкости потенциальной ямы и скорости ее заполнения. В том случае, когда необходимое для обеспечения заданной пороговой чувствительности (или заданного отношения сигнал-шум) время накопления сигнала превышает время заполнения потенциальной ямы , указанная пороговая чувствительность не может быть реализована с помощью рассматриваемого приемника с накоплением без принятия специальных мер, исключающих переполнение потенциальных ям.

Время заполнения потенциальной ямы МДП-ячейки можно оценить по формуле

                          (24)

где Nmax »1012эл-см-2 – максимальная плотность электронов, которые можно накопить в кремниевом МОП-конденсаторе;

Ql  – спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при температуре 300 К, равная »6×1015 фотон×см-2с-1мкм-1 при l » 4 мкм и »1,7×1017фотон×см-2с-1мкм-1 при l » 12 мкм соответственно (рис.1); q – апертурный угол, в пределах которого фоновое излучение попадает на приемник. Оценки показывают, что времена заполнения потенциальных ям для приемников коротковолнового и длинноволнового окон ИК-прозрачности атмосферы отличаются в десятки раз, например, как » 10-2 с и

» 4×10-4 с при l » 4мкм и 12 мкм соответственно. Еще больше отличаются времена заполнения потенциальных ям приемников излучения ближнего ИК и видимого излучений, так как в видимом диапазоне спектра интенсивность собственного излучения окружающего фона при температуре 300 К очень мала.

Если приемная система предназначена для обнаружения объекта с минимальным перепадом температуры  на фоне, который излучает как абсолютно черное тело с температурой , требуемая для реализации заданного отношения сигнал-шум величина времени накопления  должна быть меньше времени заполнения потенциальных ям фоновым излучением.

Следует подчеркнуть особое воздействие интенсивного фонового излучения на работу многоэлементных приемников излучения с накоплением сигнала. В матрицах с накоплением сигнала, как и в многоэлементных матрицах мгновенного действия, постоянная составляющая фонового излучения вызывает появление "геометрического" шума, связанного с различием в чувствительности отдельных элементов матрицы. Но, кроме этого, она определяет скорость заполнения потенциальных ям, а следовательно, и максимально возможное время накопления сигнала. Для приемников с накоплением сигнала должна обеспечиваться тщательная экранировка охлаждаемыми диафрагмами, а апертурный угол, в котором фоновое излучение попадает на чувствительный элемент, не должен существенно превышать апертурный угол, в котором излучение объекта собирается на приемник излучения.