ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА КРЕМНИЕВОЙ МАТРИЦЕ
УДК 535.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА КРЕМНИЕВОЙ МАТРИЦЕ
© 2013 г. А. Н. Старченко, канд. техн. наук; В. Г. Филиппов; Ю. А. Югай
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: anstar2000@mail.ru
Описан эксперимент и результаты исследования температурной зависимости чувствительности цифровой телевизионной камеры на основе кремниевой матрицы в трех участках видимой и ближней инфракрасной областей спектра.
Ключевые слова: матрица, температурная зависимость чувствительности, цифровая телевизионная камера, светофильтр.
Коды OCIS: 040.1240; 040.6040
Поступила в редакцию 01.03.2013
По мере развития и повсеместного внедрения аналоговых и цифровых камер на базе кремниевых матриц ПЗС и КМОП расширяется и спектр решаемых с их помощью измерительных задач. Наиболее сложными и перспективными оказываются применения фотометрического плана. В этих случаях необходима детерминированная характеристика преобразования камеры в нужном диапазоне измерения энергетической яркости, плотности мощности лазерного пучка и др., а также температур окружающей среды. Для измерений, как правило, применяются цифровые камеры с линейной характеристикой преобразования в кадре и программно задаваемым временем накопления.
Практический интерес представляет оценка влияния изменения температуры среды на работу камеры. В литературе сравнительно подробно рассматриваются процессы, приводящие к генерации и накоплению тепловых носителей (темновой ток), в том числе в элементах с технологическими дефектами (горячие точки). Количественные оценки температурного изменения чувствительности отсутствуют как в научных работах, так и в технических материалах фирм-
“Оптический журнал”, 80, 10, 2013
производителей кремниевых матриц и линеек (Sony, Kodak, Hamamatsu и др.).
Отправной точкой исследования стали ранее опубликованные данные по температурной зависимости чувствительности полупроводниковых приемников излучения, в частности кремниевых и германиевых фотодиодов [1, 2]. При нагреве для них типичны сдвиг максимума чувствительности в сторону бо' льших длин волн и подъем чувствительности на длинноволновой ветви зависимости спектральной чувствительности s(λ).
В силу особенностей применения кремниевые матрицы имеют спектральные чувствительности s(λ), отличающиеся от зависимостей, характерных для кремниевых фотодиодов. На рис. 1 показаны относительные спектральные зависимости чувствительности матрицы ICX429ALL фирмы Sony и фотодиода ФД-24К [1]. Максимум чувствительности монохромных кремниевых матриц с фронтальным освещением лежит в области 500–700 нм, у кремниевых фотодиодов – в зоне 800–900 нм.
Исследованиям подвергалась цифровая камера VNC-748-E2 (разработчик и изготовитель
65
Рис. 1. Спектральные зависимости чувствительности матрицы ICX429ALL (1) и фотодио-
да ФД-24К (2).
Рис. 2. Схема установки. 1 – галогенная лампа, 2 – сменный светофильтр, 3 – экран, 4 – входное окно климатической камеры, 5 – диафрагма, 6 – цифровая ТВ камера, 7 – климатическая камера, 8 – источник питания, 9 –
портативный компьютер.
ООО «ЭВС», Санкт-Петербург). В ней применена матрица ПЗС ICX429ALL семейства EXview HAD CCD фирмы Sony. Эта матрица за счет применения иммерсионных микролинз имеет высокую чувствительность и широко применяется в цифровых и аналоговых камерах разных производителей. В камере VNC-748-E2 реализован интерфейс управления и передачи данных по последовательному каналу Ethernet 100Base-T, а также имеется вспомогательный выход аналогового телевизионного (ТВ) сигнала.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Телевизионная камера размещалась в климатической камере КПК 3524/58. В качестве источника излучения применялась лампа накаливания с мощностью 20 Вт и цветовой температурой, близкой к 3000 K. Выделение участков спектра осуществлялось светофильтрами из цветных стекол ЗС8, КС18 и ИКС3 толщиной 3 мм. Экран препятствует попаданию на матрицу постороннего света. Излучение лампы засвечивает лишь центральную часть матрицы за диафрагмой диаметром 2 мм. ТВ камера подключалась к портативному компьютеру по каналу Ethernet 100Base-T. Ввод проводов питания камеры и кабеля подключения к компьютеру был выполнен через герметичный переход. Лампа и ТВ камера питались от стабилизированного источника напряжения.
В ходе подготовки были сделаны оценки спектральных показателей, необходимых для проведения эксперимента и интерпретации ре-
зультатов. На графиках рис. 3 показаны зависимости эффективной облученности Eef(λ), построенные согласно соотношению
Eef(λ) = E(λ)s(λ)t(λ).
(1)
Здесь E(λ) и s(λ) – относительные спектральные зависимости плотности облученности от лампы и чувствительности матрицы, t(λ) – спектральный коэффициент пропускания
фильтра. Зависимость E(λ) получена по эмпирической
модели, учитывающей температурный и спек-
тральный ход коэффициента излучения воль-
фрама [3].
Рис. 3. Спектральные зависимости эффективной облученности с фильтрами ЗС8 (1), КС18
(2), ИКС3 (3).
66 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013
Данные по спектральной чувствительности s(λ) матрицы ICX429ALL диапазоне 400– 1000 нм взяты из описания фирмы Sony, а на участках 300–400 и 1000–1150 нм дополнены результатами собственных измерений.
Спектры пропускания фильтров t(λ) в диапазоне 300–1100 нм измерены на спектрофотометре СФ-56 (разработчик и изготовитель ЗАО «ОКБ Спектр», Санкт-Петербург), а для участка от 1100 до 1150 нм определены по данным каталога цветного стекла [4].
По кривым Eef(λ) были определены длины волн λmax, отвечающие максимуму зависимостей Eef(λ), их границам по уровню 0,5 от максимальных значений. Также были рассчитаны значения эффективной длины волны λef и спектральной эффективности χ по формулам (2) и (3) соответственно
λef = [∫λEef(λ)dλ] / [∫Eef(λ)dλ],
(2)
χ = [∫Eef(λ)dλ] / [∫E(λ)dλ].
(3)
Полученные значения спектральных показателей сведены в табл. 1. Они показывают, что применяемые фильтры вырезают три области шириной около 150 нм с эффективными длинами волн 590, 805 и 995 нм. В последней строке табл. 1 представлены данные при отсутствии фильтра. Расчетные уровни сигналов различаются почти в 100 раз.
Камера VNC-748-E2 поддерживает программное управление временем накопления, коэффициентом усиления, показателем гаммакоррекции и другими параметрами ее работы. Перед началом измерений были определены времена накопления, подходящие для работы с выбранными фильтрами. У фильтров ЗС8 и КС18 время накопления составляло 1 мс, с фильтром из стекла ИКС3 – 20 мс, а при наблюдении без фильтра – 0,5 мс.
Рис. 4. Пример фиксируемого изображения.
В ходе эксперимента температура в климатической камере менялась с шагом 5 оС от минус 20 оС до плюс 40 оС. Изображения записывались на диск компьютра. На рис. 4 показан пример получаемых изображений. Применяемая программа позволяла вычислять средние значения (N) и среднеквадратические отклонения (σ) в двух прямоугольных областях. Показатели в освещенной зоне кадра обозначены Nсi(Tj) и σсi(Tj), а в затененной – показатели Nтi(Tj) и σтi(Tj).
На рис. 5 представлены значения сигналов Ni(Tj) = Nсi(Tj) – Nmi(Tj) и аппроксимации их температурного хода прямыми. Их аналитическое представление описывается формулой
Ni(T) = biT + ai.
(4)
Коэффициенты bi и ai в каждой спектральной области получены методом наименьших квадратов. Искомые температурные коэффициенты чувствительности (процент на градус Цельсия) в каждом спектральном диапазоне получены
Таблица 1. Значения спектральных показателей
Светофильтр
λmax, нм
ЗС8 КС18 ИКС3
–
570 720 980 685
λef, нм
Δλ0,5, нм
c, отн. ед.
590 490–635 0,085 805 680–855 0,19 995 915–1065 0,0069 710 510–855 0,39
Таблица 2. Температурные коэффициенты чувствительности
Спектральный интервал, нм
490–635
510–855
680–855
915– 1065
Температурный коэффициент, %/°С
0,3
0,39 0,47
1,0
“Оптический журнал”, 80, 10, 2013
67
Рис. 5. Температурные зависимости сигналов с фильтрами ЗС8 (1), КС18 (2), ИКС3 (3) и без фильтра (4).
делением коэффициента bi на среднее значение сигналов по всем температурам и умножением на 100. Значения температурных коэф-
фициентов исследуемой матрицы приведены в табл. 2.
Анализ экспериментальных данных показывает, что температурные зависимости чувствительности кремниевой матрицы подобны аналогичным зависимостям фотодиодов. Основное различие состоит в том, что максимум чувствительности матрицы сдвинут в коротковолновую область, а температурная зависимость проявляется, уже начиная с длин волн 700–750 нм.
Полученные значения температурных коэффициентов изменения чувствительности позволяют оценивать дополнительные ошибки измерения фотометрических параметров и при необходимости корректировать результаты измерений при существенных вариациях температуры окружающей среды.
*****
Литература 1. Игнатьев В.Г., Воркачева Н.А. Результаты исследования некоторых метрологических характеристик кремниевых и германиевых фотодиодов / Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1984. В. 8. С. 82. 2. Кувалдин Э.В., Борисов В.А. Основные характеристики и методы испытаний измерительных фотодиодов / Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1984. В. 8. С. 71. 3. Вугман С.М., Вдовин Н.С. Тепловые источники излучения для метрологии. М.: Энергоатомиздат, 1988. 80 с. (Б-ка светотехника, в. 17). 4. Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог / Под ред. Петровского Г.Т. М.: Дом оптики, 1990. 177 с.
68 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА КРЕМНИЕВОЙ МАТРИЦЕ
© 2013 г. А. Н. Старченко, канд. техн. наук; В. Г. Филиппов; Ю. А. Югай
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: anstar2000@mail.ru
Описан эксперимент и результаты исследования температурной зависимости чувствительности цифровой телевизионной камеры на основе кремниевой матрицы в трех участках видимой и ближней инфракрасной областей спектра.
Ключевые слова: матрица, температурная зависимость чувствительности, цифровая телевизионная камера, светофильтр.
Коды OCIS: 040.1240; 040.6040
Поступила в редакцию 01.03.2013
По мере развития и повсеместного внедрения аналоговых и цифровых камер на базе кремниевых матриц ПЗС и КМОП расширяется и спектр решаемых с их помощью измерительных задач. Наиболее сложными и перспективными оказываются применения фотометрического плана. В этих случаях необходима детерминированная характеристика преобразования камеры в нужном диапазоне измерения энергетической яркости, плотности мощности лазерного пучка и др., а также температур окружающей среды. Для измерений, как правило, применяются цифровые камеры с линейной характеристикой преобразования в кадре и программно задаваемым временем накопления.
Практический интерес представляет оценка влияния изменения температуры среды на работу камеры. В литературе сравнительно подробно рассматриваются процессы, приводящие к генерации и накоплению тепловых носителей (темновой ток), в том числе в элементах с технологическими дефектами (горячие точки). Количественные оценки температурного изменения чувствительности отсутствуют как в научных работах, так и в технических материалах фирм-
“Оптический журнал”, 80, 10, 2013
производителей кремниевых матриц и линеек (Sony, Kodak, Hamamatsu и др.).
Отправной точкой исследования стали ранее опубликованные данные по температурной зависимости чувствительности полупроводниковых приемников излучения, в частности кремниевых и германиевых фотодиодов [1, 2]. При нагреве для них типичны сдвиг максимума чувствительности в сторону бо' льших длин волн и подъем чувствительности на длинноволновой ветви зависимости спектральной чувствительности s(λ).
В силу особенностей применения кремниевые матрицы имеют спектральные чувствительности s(λ), отличающиеся от зависимостей, характерных для кремниевых фотодиодов. На рис. 1 показаны относительные спектральные зависимости чувствительности матрицы ICX429ALL фирмы Sony и фотодиода ФД-24К [1]. Максимум чувствительности монохромных кремниевых матриц с фронтальным освещением лежит в области 500–700 нм, у кремниевых фотодиодов – в зоне 800–900 нм.
Исследованиям подвергалась цифровая камера VNC-748-E2 (разработчик и изготовитель
65
Рис. 1. Спектральные зависимости чувствительности матрицы ICX429ALL (1) и фотодио-
да ФД-24К (2).
Рис. 2. Схема установки. 1 – галогенная лампа, 2 – сменный светофильтр, 3 – экран, 4 – входное окно климатической камеры, 5 – диафрагма, 6 – цифровая ТВ камера, 7 – климатическая камера, 8 – источник питания, 9 –
портативный компьютер.
ООО «ЭВС», Санкт-Петербург). В ней применена матрица ПЗС ICX429ALL семейства EXview HAD CCD фирмы Sony. Эта матрица за счет применения иммерсионных микролинз имеет высокую чувствительность и широко применяется в цифровых и аналоговых камерах разных производителей. В камере VNC-748-E2 реализован интерфейс управления и передачи данных по последовательному каналу Ethernet 100Base-T, а также имеется вспомогательный выход аналогового телевизионного (ТВ) сигнала.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Телевизионная камера размещалась в климатической камере КПК 3524/58. В качестве источника излучения применялась лампа накаливания с мощностью 20 Вт и цветовой температурой, близкой к 3000 K. Выделение участков спектра осуществлялось светофильтрами из цветных стекол ЗС8, КС18 и ИКС3 толщиной 3 мм. Экран препятствует попаданию на матрицу постороннего света. Излучение лампы засвечивает лишь центральную часть матрицы за диафрагмой диаметром 2 мм. ТВ камера подключалась к портативному компьютеру по каналу Ethernet 100Base-T. Ввод проводов питания камеры и кабеля подключения к компьютеру был выполнен через герметичный переход. Лампа и ТВ камера питались от стабилизированного источника напряжения.
В ходе подготовки были сделаны оценки спектральных показателей, необходимых для проведения эксперимента и интерпретации ре-
зультатов. На графиках рис. 3 показаны зависимости эффективной облученности Eef(λ), построенные согласно соотношению
Eef(λ) = E(λ)s(λ)t(λ).
(1)
Здесь E(λ) и s(λ) – относительные спектральные зависимости плотности облученности от лампы и чувствительности матрицы, t(λ) – спектральный коэффициент пропускания
фильтра. Зависимость E(λ) получена по эмпирической
модели, учитывающей температурный и спек-
тральный ход коэффициента излучения воль-
фрама [3].
Рис. 3. Спектральные зависимости эффективной облученности с фильтрами ЗС8 (1), КС18
(2), ИКС3 (3).
66 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013
Данные по спектральной чувствительности s(λ) матрицы ICX429ALL диапазоне 400– 1000 нм взяты из описания фирмы Sony, а на участках 300–400 и 1000–1150 нм дополнены результатами собственных измерений.
Спектры пропускания фильтров t(λ) в диапазоне 300–1100 нм измерены на спектрофотометре СФ-56 (разработчик и изготовитель ЗАО «ОКБ Спектр», Санкт-Петербург), а для участка от 1100 до 1150 нм определены по данным каталога цветного стекла [4].
По кривым Eef(λ) были определены длины волн λmax, отвечающие максимуму зависимостей Eef(λ), их границам по уровню 0,5 от максимальных значений. Также были рассчитаны значения эффективной длины волны λef и спектральной эффективности χ по формулам (2) и (3) соответственно
λef = [∫λEef(λ)dλ] / [∫Eef(λ)dλ],
(2)
χ = [∫Eef(λ)dλ] / [∫E(λ)dλ].
(3)
Полученные значения спектральных показателей сведены в табл. 1. Они показывают, что применяемые фильтры вырезают три области шириной около 150 нм с эффективными длинами волн 590, 805 и 995 нм. В последней строке табл. 1 представлены данные при отсутствии фильтра. Расчетные уровни сигналов различаются почти в 100 раз.
Камера VNC-748-E2 поддерживает программное управление временем накопления, коэффициентом усиления, показателем гаммакоррекции и другими параметрами ее работы. Перед началом измерений были определены времена накопления, подходящие для работы с выбранными фильтрами. У фильтров ЗС8 и КС18 время накопления составляло 1 мс, с фильтром из стекла ИКС3 – 20 мс, а при наблюдении без фильтра – 0,5 мс.
Рис. 4. Пример фиксируемого изображения.
В ходе эксперимента температура в климатической камере менялась с шагом 5 оС от минус 20 оС до плюс 40 оС. Изображения записывались на диск компьютра. На рис. 4 показан пример получаемых изображений. Применяемая программа позволяла вычислять средние значения (N) и среднеквадратические отклонения (σ) в двух прямоугольных областях. Показатели в освещенной зоне кадра обозначены Nсi(Tj) и σсi(Tj), а в затененной – показатели Nтi(Tj) и σтi(Tj).
На рис. 5 представлены значения сигналов Ni(Tj) = Nсi(Tj) – Nmi(Tj) и аппроксимации их температурного хода прямыми. Их аналитическое представление описывается формулой
Ni(T) = biT + ai.
(4)
Коэффициенты bi и ai в каждой спектральной области получены методом наименьших квадратов. Искомые температурные коэффициенты чувствительности (процент на градус Цельсия) в каждом спектральном диапазоне получены
Таблица 1. Значения спектральных показателей
Светофильтр
λmax, нм
ЗС8 КС18 ИКС3
–
570 720 980 685
λef, нм
Δλ0,5, нм
c, отн. ед.
590 490–635 0,085 805 680–855 0,19 995 915–1065 0,0069 710 510–855 0,39
Таблица 2. Температурные коэффициенты чувствительности
Спектральный интервал, нм
490–635
510–855
680–855
915– 1065
Температурный коэффициент, %/°С
0,3
0,39 0,47
1,0
“Оптический журнал”, 80, 10, 2013
67
Рис. 5. Температурные зависимости сигналов с фильтрами ЗС8 (1), КС18 (2), ИКС3 (3) и без фильтра (4).
делением коэффициента bi на среднее значение сигналов по всем температурам и умножением на 100. Значения температурных коэф-
фициентов исследуемой матрицы приведены в табл. 2.
Анализ экспериментальных данных показывает, что температурные зависимости чувствительности кремниевой матрицы подобны аналогичным зависимостям фотодиодов. Основное различие состоит в том, что максимум чувствительности матрицы сдвинут в коротковолновую область, а температурная зависимость проявляется, уже начиная с длин волн 700–750 нм.
Полученные значения температурных коэффициентов изменения чувствительности позволяют оценивать дополнительные ошибки измерения фотометрических параметров и при необходимости корректировать результаты измерений при существенных вариациях температуры окружающей среды.
*****
Литература 1. Игнатьев В.Г., Воркачева Н.А. Результаты исследования некоторых метрологических характеристик кремниевых и германиевых фотодиодов / Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1984. В. 8. С. 82. 2. Кувалдин Э.В., Борисов В.А. Основные характеристики и методы испытаний измерительных фотодиодов / Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1984. В. 8. С. 71. 3. Вугман С.М., Вдовин Н.С. Тепловые источники излучения для метрологии. М.: Энергоатомиздат, 1988. 80 с. (Б-ка светотехника, в. 17). 4. Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог / Под ред. Петровского Г.Т. М.: Дом оптики, 1990. 177 с.
68 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013