С помощью теории вероятности и теории надежности устройств разработана аналитическая модель, описывающая вероятность безотказной работы многорядного матричного фотоприёмного устройства (МФПУ), включающего B фотоприёмных модулей (ФПМ) формата MN с учётом критериев годности устройства. Эти критерии описываются средним временем безотказной работы одного фоточувствительного элемента (ФЧЭ), максимальным количеством дефектных ФЧЭ в канале, максимальным числом неработоспособных каналов ФПМ и общим количеством ФПМ. Режим работы устройства — режим с экспоненциальной моделью отказов ФЧЭ, в котором сигнал МФПУ является средним сигналом или максимальным из сигналов работоспособных ФЧЭ в канале. На основе модели выполнены расчёты зависимостей вероятности безотказной работы МФПУ, включающего B ФПМ, ФПМ с N каналами, L из которых неработоспособны и отсутствуют соседние неработоспособные каналы, и канала из M ФЧЭ с К неработоспособными ФЧЭ, соответственно, при B = 10, 8, 6, 4; N = 1024, 640, 480, 288; L = 5, 3, 2, 1; M = 16, 10, 8, 4; K = 15, 9, 7, 3.
Построена аналитическая модель коротковолновых инфракрасных матричных фотоприёмных устройств (МФПУ) для работы в диапазоне спектра 0,9—1,7 мкм. С учетом получения высоких выходных характеристик рассчитаны возможные диапазоны изменения темновых токов фоточувствительных элементов (ФЧЭ), допустимый диапазон шумов мультиплексора, сигналы и шумы ФЧЭ, все фотоэлектрические параметры МФПУ. Полученные теоретические значения и зависимости сравниваются с экспериментальными. Получено хорошее совпадение данных, указывающее, с одной стороны, на справедливость модели, а с другой стороны, на корректность проводимой разработки.
Рассмотрен метод разработки сканирующего ФПУ, предназначенного для работы в автономном режиме с повышенной безотказностью в течение заданного продолжительного интервала времени. ФПУ включает заданное число модулей на основе многорядной линейки с фоточувствительными элементами (ФЧЭ), имеющими меньшее среднее время безотказной работы, чем заданный временной интервал. Метод включает использование аналитической модели МФПУ и аналитической модели безотказности МФПУ.
Аналитическая модель безотказности МФПУ использовалась для определения необходимого числа ФЧЭ в канале сканирующего ФПУ, зависящего от известного среднего времени безотказной работы одного ФЧЭ. В этом случае обеспечивается высокая вероятность безотказной работы каналов, модулей и ФПУ в течение заданного интервала времени. Аналитическая модель МФПУ применялась для расчёта и анализа фотоэлектрических параметров разрабатываемого устройства.
Совместное использование указанных аналитических моделей позволяет достаточно быстро и корректно определять конструктивные, эксплуатационные и фотоэлектрические параметры любого многоканального ФПУ с заданными надежностными параметрами. В качестве примера рассматривается разработка ИК ФПУ на спектральный диапазон (10,5—12,6) мкм с 1024 каналами, с гамма-процентной наработкой до 10 лет при вероятности безотказной работы не менее 0,99.
Проведены исследования работоспособности и корректности метода измерения квантовой эффективности и темнового тока ФЧЭ матричных фотоприемных устройств, а также справедливости разработанного алгоритма расчета указанных параметров по трем измерениям выходного сигнала при разных температурах АЧТ и отличных от нуля временах накопления. Исследования проводились с помощью разработанного пакета программного обеспечения, позволяющего автоматически рассчитывать величины темновых токов ФЧЭ, величины их квантовых эффективностей, значения начальных напряжений отсчета выходных сигналов ячеек кремниевых мультиплексоров, однородность распределения указанных параметров по площади МФЧЭ, строить 2D-распределения и гистограммы параметров в заданных масштабах, определять степень дефектности МФЧЭ. Исследование корректности метода расчета квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ методом сравнения зависимости экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных выходных сигналов ФЧЭ от температуры АЧТ при заданном времени накопления показало совпадение теории и эксперимента с точностью до 2 %.
Рассмотрен метод установки заданной облученности, создаваемой моделью черного тела (МЧТ) в произвольной плоскости. Метод основан на использовании нового параметра – коэффициента излучения МЧТ. Коэффициент излучения МЧТ – это отношение потоков излучения (квантового или энергетического), исходящих соответственно от излучающей площадки и от бесконечно большой излучающей плоскости с той же температурой и степенью черноты, но падающих в заданную точку параллельной плоскости. Данный параметр позволяет просто и корректно определить величину облученности в заданной точке плоскости, отстоящей от МЧТ на заданном расстоянии. МЧТ может иметь излучающую площадку с любой заданной формой, размерами, температурой и степенью черноты. Приведен вывод аналитических выражений коэффициента излучения и облученности, создаваемой МЧТ. Рассмотрены облученности, создаваемые МЧТ с круглыми и квадратными диафрагмами и распределения облученности по площади. Показано, что отличие облученностей от МЧТ с равновеликими круглой и квадратной излучающими площадками близко к одному проценту. На основе предложенного метода расчета облученности предложен метод установки заданной облученности и неоднородности облученности от МЧТ.
Рассмотрен метод расчета облученности, создаваемой абсолютно черным телом (АЧТ) в произвольной плоскости, параллельной его диафрагме. Метод основан на использовании понятия «коэффициент пропускания холодной диафрагмы МФПУ», описывающего отношение потока излучения, попадающего в заданную точку плоскости сквозь диафрагму, к потоку излучения, падающему в данную точку из полусферы. Установлена полная сходимость результатов расчета величины облученности предложенным методом и единственным нормативным методом, описанным в ГОСТ 17772–88. Рассмотрены результаты расчета облученностей и нормированной разности облученностей от АЧТ с круглыми и квадратными диафрагмами в диапазоне от 0,06 мм до 20 см, и распределения облученности по площади. Показано, что облученность от АЧТ с круглой диафрагмой отличается от облученности, создаваемой АЧТ с квадратной диафрагмой такой же площади, не более, чем на один процент. Установлена полная применимость предложенного метода для расчета облученности, создаваемой АЧТ.
Рассмотрены физические и технические аспекты реализации альтернативного метода измерения абсолютной спектральной характеристики ИК МФПУ (спектр токовой чувствительности, вольтовой чувствительности и квантовой эффективности) без участия спектральных приборов. Метод основан на многократном измерении выходного сигнала всех ФЧЭ, генерированного модулированным излучением черного тела (МЧТ) при разных его температурах. Cигнал измеряется на фоне суммы постоянных сигналов, обусловленных излучением фона, входного оптического окна, модулятора излучения МЧТ, темновым током ФЧЭ и постоянным сигналом БИС-мультиплексора. На измеренных сигналах ФЧЭ строится система интегральных уравнений Фредгольма первого рода. В ее левой части стоят измеренные сигналы МЧТ, а в правой части системы стоят аналитические выражения, описывающие данные сигналы. Решением системы являются абсолютные значения вышеуказанных спектральных компонент всех ФЧЭ МФПУ. Рассмотрена блок-схема установки измерения, проанализированы функциональные особенности ее работы и обоснованы требования к ее блокам. Показаны дополнительные преимущества нового метода по сравнению с существующими методами.