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科学级CCD制冷系统设计及其温度特性分析

Design of a Scientific-Grade CCD Refrigeration System and Analysis of Its Thermal Characteristics

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摘要

为降低探测器的热噪声和暗电流,研制了一套高精度和高稳定度科学级裸片探测器制冷系统。提出了一种基于低温循环机和薄膜电加热器组合的探测器控温方法,减小了测试光源及环境温度变化对器件自身性能的影响。实验结果表明,探测器制冷系统降温速率不大于0.6 ℃/min,控温精度优于±0.08 ℃,将该制冷系统应用于多角度偏振成像仪面阵探测器的光电性能测试,测试结果表明:探测器工作温度升高6.5 ℃,暗电流增加1倍左右,20 ℃时暗电流是0 ℃时的6.93倍。近红外波段的量子效率受温度影响较大,810 nm和900 nm波段在0~15 ℃工作区间内量子效率的温度变化率为0.2993% ℃ -1和0.4575% ℃ -1。探测器暗电流和光谱响应度的温度特性研究为多角度偏振成像仪在轨辐射定标的温度校正提供了依据。

Abstract

In this work, a high-precision, high-stability refrigeration system for a scientific-grade bare CCD detector was developed to reduce the thermal noise and dark current of the detectors. A temperature control method for the detector comprising a low-temperature circulator and a thin-film electric heater was proposed, which could reduce the influence of the test light source and environmental temperature change on device performance. Experiment results reveal that the cooling rate of the refrigeration system is less than 0.6 ℃/min and the temperature control accuracy is better than ±0.08 ℃. The refrigeration system was applied to the electro-optical performance test of an array detector for a directional polarimetric camera (DPC). The results revealed that the working temperature increased by 6.5 ℃, the dark current increased approximately 1-fold, and the dark current at 20 ℃ was approximately 6.93 times that at 0 ℃. The quantum efficiency in the near-infrared band was considerably affected by temperature. The change rates of temperature-induced quantum efficiency in the working range of 0--15 ℃ at the 810- and 900-nm bands are 0.2993% ℃ -1 and 0.4575% ℃ -1, respectively. The study of the temperature characteristics of the detector dark current and spectral responsivity provides a basis for the temperature correction of the in-orbit radiation calibration of the DPC.

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补充资料

中图分类号:TH386.5

DOI:10.3788/AOS202040.1704001

所属栏目:探测器

基金项目:高分辨率对地观测系统重大专项;

收稿日期:2020-04-24

修改稿日期:2020-05-29

网络出版日期:2020-09-01

作者单位    点击查看

姚萍萍:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
孙亮:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
许孙龙:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
于新宇:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
许智龙:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
崔珊珊:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
骆冬根:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
洪津:中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031

联系人作者:姚萍萍(ppyao@aiofm.ac.cn); 孙亮(sunleon@aiofm.ac.cn); 骆冬根(dgluo@aiofm.ac.cn);

备注:高分辨率对地观测系统重大专项;

【1】Weng J W, Yuan Y L, Zheng X B, et al. Correction method for frame-transfer blurring effect of spaceborne polarization camera [J]. Acta Optica Sinica. 2019, 39(12): 1228005.
翁建文, 袁银麟, 郑小兵, 等. 星载偏振相机帧转移模糊效应校正方法研究 [J]. 光学学报. 2019, 39(12): 1228005.

【2】Tu B H, Hong J, Yao P P, et al. Polarization detection performance and measurement of directional polarimetric camera [J]. Acta Optica Sinica. 2020, 40(7): 0712003.
涂碧海, 洪津, 姚萍萍, 等. 多角度偏振成像仪探测性能与检测 [J]. 光学学报. 2020, 40(7): 0712003.

【3】Zhang M M, Meng B H, Luo D G, et al. Measurement precision verification and deviation analysis of spaceborne directional polarimetric camera [J]. Acta Optica Sinica. 2018, 38(8): 0812004.
张苗苗, 孟炳寰, 骆冬根, 等. 星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析 [J]. 光学学报. 2018, 38(8): 0812004.

【4】Tu B H, Hong J, Yao P P, et al. Temperature correction method for directional polarimetric camera [J]. Infrared and Laser Engineering, 中国激光. 2019, 46(10): 1010002.
涂碧海, 洪津, 姚萍萍, 等. 多角度偏振成像仪温度校正方法 [J]. 中国激光. 2019, 46(10): 1010002.

【5】Yu D, Zhou H D, Long K H, et al. Screening and testing method for area CCD [J]. Chinese Journal of Lasers. 2013, 40(7): 0708001.
余达, 周怀得, 龙科慧, 等. 一种面阵CCD的筛选测试方法 [J]. 中国激光. 2013, 40(7): 0708001.

【6】Wang Y. The design of measurement system and methods of CCD chip''''s key performance parameters Xi''''an: [D]. Xidian University. 2013, 7-12.
王杨. CCD芯片关键性能参数的测量系统及其测量方法设计 [D]. 西安: 西安电子科技大学. 2013, 7-12.

【7】Wang C J, Ye B X. Astronomical visible light detector[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 2013, 134-137.
王传晋, 叶彬浔. 天文可见光探测器[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2013, 134-137.

【8】Groom D. Quantum efficiency characterization of LBNL CCD''''s part1: the quantum efficiency machine [J]. Proceedings of SPIE. 2006, 6068: 60680F.

【9】Steckert J. Design, implementation and setup of an automated quantum efficiency measurement system for charge-coupled devices [D]. Berkeley: University of California. 2005, 20-28.

【10】Shao X P, Wang Y, Gao P, et al. Measurement method and setup of the quantum efficiency for charge coupled devices [J]. Infrared and Laser Engineering. 2013, 42(S1): 103-106.
邵晓鹏, 王杨, 高鹏, 等. CCD芯片量子效率的测量装置及其测量方法 [J]. 红外与激光工程. 2013, 42(S1): 103-106.

【11】Liu H Y, Wang H F, Wang H C, et al. Research on measuring quantum efficiency of CCD based on the method of uniform optical radiation [J]. Acta Optica Sinica. 2014, 34(s2): s223001.
刘红元, 王恒飞, 王洪超, 等. 基于均匀光辐射法测量CCD器件量子效率 [J]. 光学学报. 2014, 34(s2): s223001.

【12】Li X J. Method research and system design for testing photoelectric parameters of CCD Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, [D]. Chinese Academy of Sciences. 2014, 47-64.
李晓杰. CCD 光电参数测试方法研究及系统设计 [D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2014, 47-64.

【13】Yao P P, Xu S L, Tu B H, et al. Screening and testing method of space-borne area detectors for directional polarimetric camera [J]. Acta Optica Sinica. 2020, 40(11): 1112002.
姚萍萍, 许孙龙, 涂碧海, 等. 多角度偏振成像仪面阵探测器筛选及测试方法 [J]. 光学学报. 2020, 40(11): 1112002.

【14】Cui S S, Meng B H, Qiu Z W, et al. Study of synchronous sampling method for the relative spectral response of CCD [J]. Infrared and Laser Engineering. 2015, 44(11): 3397-3401.
崔珊珊, 孟炳寰, 裘桢炜, 等. CCD相对光谱响应同步采样方法研究 [J]. 红外与激光工程. 2015, 44(11): 3397-3401.

【15】Zi K M, Wu Q W, Guo J, et al. Thermal design of CCD focal plane assembly of space optical remote-sensor [J]. Optical Technique. 2008, 34(3): 401-403, 407.
訾克明, 吴清文, 郭疆, 等. 空间光学遥感器CCD焦面组件热设计 [J]. 光学技术. 2008, 34(3): 401-403, 407.

【16】Cheng W S, Zhao J, Cai H G. Correction method for pixel response nonuniformity of CCD [J]. Optics and Precision Engineering. 2008, 16(2): 314-318.
程万胜, 赵杰, 蔡鹤皋. CCD像素响应非均匀的校正方法 [J]. 光学精密工程. 2008, 16(2): 314-318.

【17】Janesick J, Klaasen K, Elliott T. CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique [J]. Proceedings of SPIE. 1985, 570: 7-19.

引用该论文

Yao Pingping,Sun Liang,Xu Sunlong,Yu Xinyu,Xu Zhilong,Cui Shanshan,Luo Donggen,Hong Jin. Design of a Scientific-Grade CCD Refrigeration System and Analysis of Its Thermal Characteristics[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(17): 1704001

姚萍萍,孙亮,许孙龙,于新宇,许智龙,崔珊珊,骆冬根,洪津. 科学级CCD制冷系统设计及其温度特性分析[J]. 光学学报, 2020, 40(17): 1704001

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