Многоэлементные фотоприемные устройства и тепловизоры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ уНИВЕРСИТЕТ

Учебное пособие

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА И ТЕПЛОВИЗОРЫ

В.А. Илюшин

Новосибирск 2003

Глава 1. Тепловизионные системы

Приемные оптико-электронные системы инфракрасного диапазона с полупроводниковыми твердотельными приемниками изображения принято относить к системам тепловидения, а системы, использующие фотонные приемники типа электронно-оптических преобразователей или фотоэлектронных вакуумных приемных передающих трубок, - к приборам ночного видения. В настоящей работе будут рассмотрены только системы первого вида с многоэлементными приемниками излучения. Термин "тепловизионные системы" (ТВС) можно считать эквивалентом англоязычного термина "infrared imaging systems".

Структурная схема приемного устройства тепловизионной системы приведена на рис. 1. В зависимости от числа элементов в приемнике излучения тепловизионной системы она может быть отнесена к одному из трех поколений. Первое поколение ТВС, относящееся к началу 60-х годов прошлого века, строилось на основе оптико-механических сканирующих систем с одноэлементным приемником или линейкой из сравнительно небольшого количества приемников. В качестве примера таких систем можно привести ТВС на основе InSb для диапазона 3-5 мкм, работающие при температуре жидкого азота, или ТВС на основе Ge, легированного ртутью, для диапазона 8-14 мкм, работающие при температуре 30 К.

Рис.1. Структурная схема приемного устройства тепловизионной системы: 1 - оптическая система, 2 - узел оптико-механического сканирования, 3 - объектив приемника излучения, 4 - фотоприемное устройство

К системам второго поколения относятся системы, использующие многоэлементные приемники, обеспечивающие высокую плотность считывания информации в фокальной плоскости. По числу элементов разложения, наблюдаемого на индикаторном устройстве изображения, и частоте кадров такие ТВС сопоставимы с совре-менными телевизионными системами. Однако, число элементов в фотоприемных матрицах таких систем (около 10³) меньше числа элементов разложения телевизионного изображения (около 10⁵), поэтому в тепловизионных системах второго поколения еще используются узлы оптико-механической развертки. Как следствие, системам второго поколения присущи недостатки систем первого поколения: большие масса и габариты, недостаточные долговечность и надежность, большая потребляемая мощность. В большинстве современных ТВС, относящихся ко второму поколению, для работы в диапазоне 8-12 мкм наиболее часто используется сканирование линейкой, состоящей из большого числа приемников типа HgCdTe, в режиме временной задержки и накопления, а для работы в диапазоне 3-5 мкм - матрица фотоприемников из InSb умеренного формата (640x480 элементов), работающая в "смотрящем" режиме.

Системы первого и второго поколений относятся к классу сканирующих систем. Следующее, третье поколение ТВС будет полностью базироваться на многоэлементных матричных приемниках: механическое или оптико-механическое сканирование в них не будет использоваться. Вполне возможным станет использование нескольких спектральных диапазонов в инфракрасной области. Увеличатся возможности первичной обработки информации (обнаружение движения объектов, идентификация и др.) непосредственно в фотоприемном устройстве (ФПУ). Улучшится качество изображения на экране дисплея.

Совершенствование ТВС привело не только к увеличению числа элементов в фотоприемной матрице, но и к увеличению рабочих температур ФПУ. Например, приемники второго поколения работают при температурах 170-200 К в диапазоне 3-5 мкм и при температуре 77 К в диапазоне 8-13 мкм, тогда как приемники первого поколения работают при 77 К и 30 К соответственно. Все это позволяет существенно улучшить массогабаритные и стоимостные характеристики приемного устройства, упростить конструкцию и облегчить условия его эксплуатации.

Температуры в диапазоне 170-200 К обычно достигаются с помощью трех- или четырехкаскадных термоэлектрических холодильников, так как последние характеризуются достаточно высоким КПД (несколько процентов) в этом диапазоне. Основным недостатком термохолодильников является ограничение по уровню тепловой нагрузки на холодный слой. Для многоэлементного фотоприемника основная тепловая нагрузка определяется теплопроводностью проводов, связывающих охлаждаемую и неохлаждаемую части фотоприемника. Если каждый элемент фотоприемника соединен со своим собственным предусилителем, число проводов пропорционально числу фотоприемных элементов. Поэтому широкое использование термоэлектрических холодильников в качестве охлаждающих устройств стало возможным только в системах второго поколения, в которых матрица фоточувствительных элементов объединена с процессором, осуществляющим первичную обработку сигнала непосредственно в фокальной плоскости приемной системы. Такой процессор в простейшем случае производит мультиплексирование сигналов различных элементов многоэлементного приемника. В этом случае число электрических проводов, соединяющих охлаждаемую и неохлаждаемую части приемника, резко уменьшается. Более совершенные процессоры могут производить и первичную обработку сигнала.

Охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота или более низких, требует использования микрокриогенных машин. В результате многолетней работы по снижению потребляемой мощности, увеличению ресурса работоспособности, улучшению массогабаритных показателей к настоящему времени такие машины удовлетворяют требованиям, предъявляемым к бортовым рефрижераторам для температур вплоть до 30 К.

ТВС третьего поколения с механическими или термоэлектрическими системами охлаждения работают при температурах более 120 К в диапазоне 8-12 мкм и при температурах около 180 К в диапазоне 3-5 мкм. Число элементов в матрице ФПУ достигает при этом (1-2)10⁶.

тепловизионный сигнал фотоприемный

Глава 2. Принципы построения тепловизионных систем

2.1 Предельные характеристики приемных систем

Мерой качества любой приемной системы служит отношение информации, пропущенной этой системой, к информации, содержащейся в падающем потоке света. На качество системы влияют факторы внутреннего и внешнего происхождения. Внутренние факторы, которые определяются собственными свойствами системы, в том числе различного рода шумами, будут рассмотрены в следующих разделах. Внешние факторы обусловлены квантовой природой света. Именно внешние факторы определяют требования, которым должна удовлетворять приемная система, когда ее собственные шумы малы и она работает в режиме ограничения флуктуациями сигнала или фонового излучения.

Информация, которую несет конечная порция света, ограничена дискретностью световых квантов и наличием ложных сигналов, то есть ложных зрительных образов, которые могут быть обусловлены хаотическим характером распределения фотонов, а не самим объектом.

Дискретность световых квантов. Предположим, на белом фоне необходимо изобразить черное пятно, размер которого таков, что при плотном размещении на поле изображения умещается N пятен. Белый фон можно отобразить множеством маленьких белых точек одинакового размера. Каждая белая точка будет соответствовать зрительному эффекту, производимому одним фотоном в некой обобщенной зрительной системе. Возникает вопрос: какое наименьшее число белых точек требуется для изображения одного черного пятна на однородно белом фоне? Если располагать белые точки равномерно, то N-1 точек будет как необходимо, так и достаточно. Предположим теперь, что коэффициент отражения пятна составляет 99 % по отношению к коэффициенту отражения фона, иными словами необходимо изобразить серое пятно с контрастом 1 % (контраст определяется как доля от яркости фона). Поскольку в соответствии с принятым допущением каждая белая точка отождествляется с отдельным фотоном, то для отображения серого пятна требуется уже 100 N - 1 точек. В этом случае каждый элемент изображения содержит в точности 100 точек за исключением одного элемента, в котором содержится 99 точек. Из приведенных рассуждений следует, что для изображения малых элементов с низким контрастом требуется много фотонов.

Хаотический характер распределения фотонов. Процесс эмиссии фотонов, являясь стохастическим, может быть охарактеризован средним значением и дисперсией. Квадратный корень из дисперсии называется среднеквадратичным отклонением или ошибкой. Для случайного процесса, описываемого распределением Пуассона, среднеквадратичное отклонение равно квадратному корню из среднего значения. Таким образом, если под сигналом понимать среднее число фотонов, попадающих на тестовую элементарную площадку, а под шумом - среднеквадратичное отклонение от этой величины, то отношение сигнал-шум будет равно . Следует отметить, что под термином "сигнал" часто понимают разность между средними числами фотонов, падающих на тестовый элемент и окружающие его элементарные площадки того же размера. В рассмотренном ранее примере для изображения одного серого пятна, яркость которого составляет 99 % от яркости окружающего фона, требуется 100 белых точек (фотонов) на элемент изображения, определенный как площадь серого пятна. Если учесть случайный характер распределения фотонов, то окажется, что в действительности числа фотонов, падающих на площадки различных элементов изображения, распределены вокруг среднего значения (100) таким образом, что среднеквадратичное отклонение равно (100)¹/² или 10. При этом сигнал, который необходимо обнаружить, составляет 1 % от яркости окружающего фона, т. е. 1 фотон. Таким образом, отношение сигнал-шум составляет 0,1, т. е. значительно меньше единицы, что часто принимается за порог различимости сигнала на флуктуирующем фоне. Добиться увеличения отношения сигнал-шум до единицы можно, если среднее число фотонов, падающих на элемент изображения, увеличить от 10² до 10⁴.

Ложные сигналы. Флуктуации, связанные с шумом, имеют ту же физическую природу, что и сигнал. Поэтому, чтобы можно было обнаружить реальный сигнал на фоне ложных, он должен превышать уровень шума в несколько раз. Требуемое превышение можно оценить, зная статистическое распределение шумовых флуктуаций. Вероятности появления шумовых флуктуаций, превышающих среднее значение фона на k = 1; 2; 3; 4; 5; 6 единиц среднеквадратичного отклонения, составляют соответственно 0,15; 0,023; 1,310^-3; 310^-5; 310^-7; 210^-9. Предположим, что изображение содержит 10⁵ элементов, каждый площадью, равной тестовой площадке. В таком случае имеется 10⁵ возможностей возникновения ложного сигнала. Если необходимо снизить общее число ложных сигналов до величины, меньше единицы, то, в соответствии с приведенными выше данными, амплитуда сигнала должна превышать среднеквадратичное отклонение в 4-5 раз.

Теперь получим общее выражение для полного числа фотонов, которое необходимо для обнаружения элемента контраста с заданным отношением сигнал-шум. Если среднее число фотонов, падающих на тестовую площадку равно , шум будет равен, сигнал - , а отношение сигнал-шум - . Полагая эту величину равной , получаем и требуемое полное число фотонов

,

где N - полное число элементов в тестовом изображении. Наличие этого множителя обусловлено дискретностью световых квантов. Для получения изображений с хорошим разрешением число элементов изображения должно лежать в пределах 10⁶ -10⁷. Множитель связан с контрастом и отражает как случайный характер распределения фотонов, так и требование защиты от ложных сигналов.

Разделив левую и правую части полученного выражения на полную площадь изображения, получим соотношение, характеризующее идеальную приемную систему, свойства которой определяются фотонным шумом:

,

где - число фотонов, падающих на 1 см²; - линейный размер элемента изображения. Под элементом изображения следует понимать минимальный разрешимый элемент с заданным контрастом. Важные следствия полученного выражения:

- при заданной плотности потока фотонов размер минимального разрешимого элемента обратно пропорционален его контрасту;

- понятие "разрешающая способность" системы имеет смысл только в том случае, если указан контраст тестового элемента;

- понятие "сигнал-шум" для системы имеет смысл только в том случае, если указан размер тестового элемента;

- приведенные в данном разделе рассуждения в равной мере применимы к любой области спектра.

Режим ограничения флуктуациями сигнала и флуктуациями фонового излучения. В условиях, когда собственными шумами системы можно пренебречь, любое изменение выходного сигнала будет вызвано только изменением потока фотонов от источника сигнала. Такой режим называется режимом ограничения флуктуациями сигнала (режим ОС), поскольку в этом случае лишь случайный характер процессов испускания фотонов ограничивает ту минимальную мощность, которая может быть обнаружена данным фотоприемником. Такой режим характерен для приемников видимого и ультрафиолетового излучений. Предельные возможности приемников излучения ИК-диапазона достигаются в режиме ограничения флуктуациями фонового излучения (режим ОФ).

Рис. 2. Спектральные зависимости плотности потока фотонов при различных температурах: 1 - 300 К; 2 - 100 К, 3 - 900 К

Источниками фонового излучения чаще всего являются объекты, имеющие температуру, близкую к комнатной. Равновесная плотность излучения абсолютно черного тела при температуре 300 К имеет максимум вблизи длины волны 10 мкм. При этом плотность потока фотонов сопоставима с плотностью, соответствующей яркому солнечному свету, рис. 2. При 3 мкм плотность потока фотонов близка к плотности их потока при комнатном освещении, а при 1 мкм - много ниже абсолютного зрительного порога, что и объясняет незначительную роль флуктуаций фонового излучения для приемников видимого диапазона.

Видимость объектов в инфракрасной области спектра сложным образом зависит от характеристик используемого искусственного освещения, потока их собственного излучения, их излучательных способностей и разности их температур. Для объектов, видимых благодаря их собственному излучению и обладающих одинаковыми излучательными способностями, контраст определяется выражением

,

где - разность температур между объектом и окружающей его средой. Разность температур в 1°С создает контраст примерно в 10 % при длинах волн около 1 мкм и 1 % - при ~10 мкм.

Из приведенных данных следует, что тепловизионные системы в отличие от приемных систем видимого диапазона должны быть оптимизированы для регистрации слабоконтрастных изображений в условиях сильного фонового излучения.

2.2 Приемники излучения с накоплением сигнала

Особенностью фотоприемных устройств, используемых в современных ИК-системах, является накопление оптического сигнала непосредственно в фоточувствительной матрице, а не в схемах электронной обработки сигнала, как это осуществляется в схемах с приемниками мгновенного действия. Матричные структуры мгновенного действия работают без накопления заряда в режиме установившегося значения фототока. Поэтому время коммутации опрашиваемого элемента , т. е. время подключения его к источнику питания, должно быть не менее собственной постоянной времени фотоприемника. Увеличение числа элементов в структуре приводит к пропорциональному увеличению времени кадра .

В приемниках "мгновенного" действия регистрируемый сигнал пропорционален интенсивности излучения, в приемниках с накоплением - произведению интенсивности излучения и времени экспозиции. Шумы фотоприемной системы в условиях, когда собственными шумами ФПУ можно пренебречь по сравнению с шумом фонового излучения, пропорциональны времени накопления в степени 1/2. Таким образом, увеличение времени накопления позволяет улучшить отношение сигнал-шум и обнаружительную способность приемной системы. В сканирующих системах время экспозиции определяется длительностью одного или нескольких элементов разложения изображения, в несканирующих системах - длительностью кадра, поэтому наиболее эффективно режим накопления проявляется в несканирующих системах.

Принцип действия структур с накоплением основан на использовании процессов заряда и разряда внешней емкости или, что предпочтительнее, емкости самого фоточувствительного элемента, например, фотодиода, диода Шотки или МДП-конденсатора. Если на р-n переход подать напряжение обратного смещения, то в эффективной емкости перехода накопится объемный заряд. Если затем разомкнуть цепь, в которую включен р-n переход, то емкость обедненной области будет разряжаться за счет генерационно-рекомбинационного тока. Для Si-диодов и МОП-структур типичны постоянные времени процесса разрядки порядка нескольких секунд при комнатной температуре. При освещении такой структуры излучением, генерирующим свободные носители тока, процесс разрядки емкости ускоряется, причем скорость разрядки пропорциональна уровню освещенности. Если обеспечить преобладание оптического тока разрядки над тепловым, например, путем понижения температуры, то количество заряда, удаленного к данному моменту времени из емкости, пропорционально интегралу потока фотонов и времени от начала разрядки до момента измерения заряда на емкости. Таким образом, периодически регистрируя заряд, необходимый для воссоздания начальных условий по напряжению (или по заряду) на емкости структуры, можно измерять интенсивность потока регистрируемого излучения.

Следует отметить, что режим накопления является обычным режимом работы многоэлементных приемников изображения для видимой области спектра. Однако реализация этого режима для ИК-систем связана с существенными трудностями. Спецификой ИК-диапазона является интенсивное фоновое излучение и низкий контраст теплового изображения в фокальной плоскости оптической системы. Контрастный поток фотонов в спектральных интервалах 3-5 и 8-14 мкм по отношению к полному потоку излучения при температуре фона 300 К и разности температур между объектом и фоном T = 1K составляет лишь 810^-5 и 10^-3 соответственно. Повышение контрастности может быть достигнуто при использовании охлаждаемых фильтров, пропускающих фоновое излучение только в той спектральной области, где лежит излучение сигнала. Другим эффективным способом повышения контрастности является вычитание фонового сигнала. В этом случае увеличиваются динамический диапазон принимаемого сигнала и время накопления. Последнее особенно важно для тех случаев, когда емкости накопительных ячеек ограничены и сигнал должен считываться достаточно часто, чтобы избежать переполнения потенциальных ям и насыщения сигнала.

Высокий уровень фонового излучения в ИК-диапазоне обусловливает существование еще одной проблемы, связанной с использованием многоэлементных ФПУ, - значительного "геометрического" шума, принципиально отсутствующего в приемных системах с одноэлементным приемником. Разброс абсолютной чувствительности отдельных элементов в матрице даже в доли процента приводит, из-за большой постоянной составляющей сигнала, к появлению на тепловом изображении структурного шума, во много раз превышающего собственный шум отдельного элемента. В сканирующих системах чувствительности отдельных элементов могут быть усреднены по нескольким элементам в матрице. Для осуществления этого обычно используется режим временной задержки и накопления (ВЗН). При этом опрос элементов ФПУ синхронизируют с процессами сканирования таким образом, чтобы каждый элемент разложения изображения поочередно регистрировался несколькими элементами соответствующей ему строки или столбца матрицы ФПУ, затем показатели усредняются.

В несканирующих системах режим ВЗН не может быть использован. Для получения в несканирующей системе, работающей в дипазоне длин волн 8-14 мкм, такой же пороговой чувствительности, как в сопоставимой сканирующей системе, неравномерность чувствительности отдельных элементов не должна превышать 0,1 %. При существующих технологиях изготовления ФПУ указанное требование выполнимо только для матриц диодов Шотки.

Таким образом, прямое использование в несканирующих ИК-системах приборов регистрации теплового изображения, работающих в ждущем режиме, затруднительно. Матрица приемников излучения должна работать в комплексе с эффективной схемой обработки, обеспечивающей обработку в реальном масштабе времени большого объема информации для выравнивания чувствительности отдельных элементов матрицы.

2.3 Расчет параметров приемных систем

2.3.1 Сканирующие системы

Предположим, что на расстоянии от оптической системы с эффективной площадью входного зрачка и фокусным расстоянием находится протяженный источник излучения, представляющий собой абсолютно черное тело с температурой . Источник наблюдается на некотором фоне, излучение которого представляет собой также излучение абсолютно черного тела при температуре .

Спектральный поток излучения, собираемый оптической системой и попадающий на приемник излучения

, (1)

а сигнал, снимаемый с приемника

, (2)

где - абсолютная вольтовая чувствительность приемника, В/Вт; - спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела при температуре , Вт/сммкм; - угол мгновенного поля зрения приемной системы (апертурный угол отдельного элемента приемника).

Отношение сигнал-шум для немонохроматического излучения

. (3)

Обычно вместо абсолютной вольтовой чувствительности используют приведенную обнаружительную способность:

, (4)

где - площадь чувствительного элемента, далее для простоты предполагаемого квадратным со стороной ; - ширина полосы пропускания электронного тракта усиления сигнала и шума; - энергетический поток излучения, при котором отношение сигнал-шум равно единице. Поскольку по определению , то

(5)

и . (6)

В этом случае выражение (3) для отношения сигнал-шум принимает вид

 . (7)

Оптимальная величина полосы пропускания электронного тракта оптико-электронных приборов зависит от назначения приемной системы, а также от спектральных характеристик сигнала и шума. Обычно используется фильтр с полосой пропускания, согласованной с полосой частот, занимаемой сигналом. В первом приближении можно принять, что ширина полосы связана с временем, приходящимся на один элемент разложения наблюдаемой тепловой картины , соотношением

, (8)

где c - некоторая постоянная порядка единицы. Учитывая, что угол мгновенного поля зрения равен угловому размеру чувствительного элемента приемника излучения

, (9)

получаем, что разностный сигнал, определяющий контраст теплового изображения цели с температурой на фоне с температурой ,

. (10)

При малых температурных контрастах разность в подынтегральном выражении может быть заменена дифференциальной разностью и выражение для теплового контраста примет вид

, (11)

где , - относительная спектральная характеристика приемника излучения.

Время , приходящееся на один элемент разложения, определяется длительностью кадра и соотношением между величинами углов мгновенного поля зрения и полного поля обзора :

, (12)

где - полное число элементов в многоэлементной матрице приемника; - число строк; - число столбцов.

Таким образом, контрастный сигнал

. (13)

При конструировании приемной системы, исходя из ее назначения, обычно задаются значениями длительности кадра , полного поля обзора , мгновенного угла зрения , а также разницей температур объекта фона. Значением параметра также задаются, поскольку оно определяется функциональным назначением системы. Таким образом, в ходе разработки приемной системы для обеспечения заданного соотношения сигнал-шум можно варьировать только величины , , и .

Увеличение размеров входного отверстия оптической системы приводит к резкому увеличению массы и габаритов приемного устройства, что не всегда допустимо. Уменьшение фокусного расстояния при неизменной величине приводит к росту аберраций в оптической системе, необходимости ее усложнения и сопутствующим этому отрицательным явлениям. Поэтому относительное отверстие оптической системы приемного устройства фактически является заранее заданной величиной. В правильно сконструированных приемных системах значение приведенной обнаружительной способности приемника излучения близко или равно максимально возможному, определяемому флуктуациями излучения фона (режим ограничения фоном ОФ или BLIP-режим):

, (14)

где - постоянная Планка; - скорость света; - квантовая эффективность преобразования излучения; - интенсивность фонового излучения, падающего на чувствительный элемент.

Таким образом, все параметры (за исключением ), которыми может управлять разработчик, равны или близки к своим максимальным значениям, и для существенного увеличения отношения сигнал-шум у современных приемных систем есть фактически только одна возможность - увеличивать число элементов в многоэлементном приемнике излучения.

Если не учитывать особенности изготовления и функционирования многоэлементных ФПУ, которые будут рассмотрены в последующих главах, и исходить из допущения, что в распоряжении разработчика имеются многоэлементные приемники с любым требуемым числом элементов, то максимально возможное число элементов в матрице будет определяться особенностями применения матриц в приемных системах.

Одним из основных условий, которое должно выполняться в правильно сконструированной приемной системе, является преобладание шумов приемного элемента над шумами последующей электронной схемы считывания и усиления сигнала. При выводе уравнения для контрастного сигнала предполагалось, что это условие выполняется. Ширина полосы , в которой происходит накопление шумов, определяется частотой опроса элементов в матрице. Последняя, в свою очередь, зависит от времени кадра и числа элементов в матрице, которые должны быть опрошены за время кадра. Как следствие, при заданных разработчиком исходных данных в виде времени кадра и уровня шума предварительного усилителя максимально допустимое число элементов в матрице устанавливается автоматически.

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 N_max 10¹²эл-см^-2 - максимальная плотность электронов, которые можно накопить в кремниевом МОП-конденсаторе; Q - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при температуре 300 К, равная 610¹⁵ фотонсм^-2с^-1мкм^-1 при 4 мкм и 1,710¹⁷фотонсм^-2с^-1мкм^-1 при 12 мкм соответственно (рис.1); - 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 410^-4 с при 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.

2.4 Конфигурации матричных ФПУ

Твердотельные многоэлементные приемники излучения делятся на два класса: с координатной выборкой и с последовательным переносом заряда. Работа современных приемников первого класса основана на использовании приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ), второго - на использовании приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Приборы с зарядовой инжекцией - твердотельные приемники изображения с поверхностным каналом, в которых для считывания, хранения и сканирования используются инжекция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек. Простейшим прибором с инжекцией заряда является МОП-конденсатор. Когда под действием напряжения, приложенного к конденсатору, приповерхностная область подложки обедняется носителями, неосновные носители, генерированные светом, коллектируются и хранятся в поверхностной инверсионной области. Если затем снять напряжение, накопленный заряд инжектируется в подложку и рекомбинирует. Величину инжектированного заряда можно определить измерением тока во внешней цепи во время инжекции.

Для х-у-адресации в каждой фоточувствительной ячейке матрицы имеются два отдельных электрода (строчный и столбцовый). В состоянии хранения сигнальный заряд накапливается под обоими электродами ячейки. Для считывания сигнального заряда на выбранные столбцовую и строчную шины подается нулевой потенциал. При этом происходит инжекция заряда в подложку из фотоприемной ячейки, расположенной на пересечении данных столбца и строки. Во всех остальных ячейках столбца и строки с нулевым потенциалом сигнальный заряд перетекает под строчный или столбцовый электрод соответственно. Измеряя ток, протекающий во внешней цепи во время инжекции, можно определить величину сигнальных зарядовых пакетов, накопленных в ячейках матрицы ПЗИ. Такой способ считывания называется инжекционным. Инжекционное считывание представляет собой процесс с разрушением информации, поскольку при инжекции чувствительные ячейки матрицы освобождаются от накопленного заряда. Разновидностями инжекционного способа считывания являются методы последовательной и предварительной инжекции.

Другой метод определения величины накопленного заряда основан на измерении изменения потенциала одного из электродов ячейки при переносе сигнального заряда из-под электрода соседнего конденсатора. Перенос может быть осуществлен параллельно во всех чувствительных элементах какой-либо выбранной строки. Параллельно для всех элементов строки можно выполнить и операцию инжекции, удаляющую сигнальный заряд. Такой метод считывания можно назвать считыванием при переносе, он является неразрушающим, поскольку операции считывания и инжекции производятся раздельно. После опeрации считывания сигнальные зарядовые пакеты можно либо оставить в матрице, либо инжектировать в подложку. Разновидностями этого способа считывания являются метод параллельной инжекции и метод считывания строк. Рассмотрим в качестве примера метод последовательной инжекции, схема которого показана на рис. 3.

Для определения величины сигнального заряда измеряется изменение в процессе инжекции потенциала "плавающей" сигнальной шины, соединенной регистром горизонтального сканирования с одним из столбцов матрицы. Когда с помощью регистра вертикального сканирования устанавливается нулевой потенциал на выбранной строчной шине, заряды в ячейках данной строки перетекают под столбцовые электроды. После этого осуществляется установка опорного потенциала на сигнальной и соединенной с ней "выбранной" столбцовой шинах. Затем через разделительную емкость на сигнальную шину подается управляющий импульс и сигнальный заряд в выбранной ячейке инжектируется в подложку, в результате чего происходит изменение потенциала сигнальной шины, которое усиливается выходным предусилителем. Таким образом опрашиваются все ячейки данной строки при последовательном подключении к сигнальной шине остальных столбцовых шин матрицы. После этого нулевой потенциал устанавливается на следующей строчной шине и описанный выше процесс повторяется.

Рис.3. Схема метода последовательной инжекции

Основной проблемой при создании двумерных ПЗИ-матриц является обеспечение 100%-го обмена накопленного заряда между двумя электродами фоточувствительной ячейки. Для улучшения обмена может быть использован метод, аналогичный методу "жирного нуля", используемому в ПЗС-сдвиговых регистрах. При этом поверхностные состояния всегда заполнены носителями заряда и не влияют на процесс переноса заряда из одной потенциальной ямы в другую.

Еще одна проблема, возникающая при использовании ПЗИ-матриц, связана с тем, что скорость считывания сигнала, накопленного в фотоприемных ячейках матрицы, должна быть относительно высокой. В большинстве случаев технологический процесс для данного узкозонного материала оказывается непригодным для обеспечения возможности изготовления требуемых регистров сканирования, ключей выборки и предусилителя на том же кристалле, что и фотоприемные ячейки. В таких условиях названные элементы обрамления, а также регистры ВЗН или иные устройства обработки сигнала изготавливаются на отдельных кремниевых кристаллах с использованием стандартной технологии. Поскольку операция ВЗН в таких системах осуществляется на отдельном кристалле, ПЗИ-матрица должна полностью опрашиваться за время сдвига изображения на одну строку. При этом необходимая скорость считывания данных может потребовать слишком широкой полосы предусилителя. В таких случаях может оказаться эффективным использование отдельного предусилителя на каждый столбец матрицы.

Другая возможная трудность, возникающая при использовании ПЗИ-приемников, связана с довольно большой выходной емкостью матрицы, складывающейся из собственной емкости сигнальной шины, полной емкости ячеек соединенного с ней столбца и паразитных емкостей. Большая величина выходной емкости обусловливает малую величину шумового напряжения на входе предусилителя, соответствующую данному шумовому заряду в ячейках ПЗИ-матрицы, так как . Следовательно, предусилитель должен обладать достаточно малым эквивалентным входным напряжением шумов, чтобы полная шумовая характеристика всей системы определялась флуктуациями фонового излучения. В сочетании с требованием достаточно широкой полосы это требование может оказаться весьма жестким для предусилителя.

Приборы с зарядовой связью. Для создания матричных ИК-ФПУ используются приборы с зарядовой связью двух основных конфигураций (рис. 4а и 4б.

В первом случае (рис. 4а) МДП-ячейки сдвигающих регистров одновременно выполняют роль фоточувствительных элементов. Такая конфигурация обеспечивает высокую плотность заполнения фокальной плоскости приемника. В системах с механическим сканированием изображения вдоль матрицы ПЗС-регистры осуществляют ВЗН-режим обработки сигнала. В этом случае операция ВЗН и детектирование осуществляются на одном общем кристалле, поэтому в такой системе не происходит предварительного мультиплексирования сигнала. Как следствие, в ПЗС-приемниках рассматриваемой конфигурации требуется значительно меньшая скорость считывания, чем в ПЗИ-приемниках.

Быстродействие выходного регистра, на который подаются сигналы с выходов каждого ВЗН-регистра, должно в m раз (где m - число столбцов матрицы) превышать быстродействие ВЗН-регистров. Если технологические ограничения не позволяют создать такие быстродействующие регистры с высокой эффективностью переноса заряда в узкозонном материале, выходной регистр изготавливают на отдельном кремниевом кристалле, используя стандартную технологию.

Выходные сигналы ВЗН-регистров имеют достаточно большую амплитуду и характеризуются сравнительно высоким отношением сигнал-шум (как следствие ВЗН-обработки). Кроме того, выходные емкости ВЗН-регистров достаточно малы. Поэтому существенным недостатком такой конструкции ПЗС-приемника является только большое количество межсоединений.

В ПЗС-приемниках обычно стремятся к возможно большей зарядовой емкости ячеек ПЗС-регистра, особенно в системах, предназначенных для работы при сильном фоновом излучении, в связи с тем, что фоновый сигнал добавляется на каждой стадии ВЗН-обработки. ПЗИ-приемники свободны от этого недостатка, поскольку в них можно выделить переменную составляющую сигнала перед ВЗИ-процессором.

Вторая конфигурация на основе приборов с зарядовой связью (рис. 4б) отличается тем, что детектирование излучения производится в отдельных фоточувствительных ячейках (не обязательно МДП), соединенных с ПЗС-регистрами, осуществляющими ВЗН-обработку сигнала в системах с механическим сканированием изображения. Матрицы с такой конфигурацией более сложны, так как содержат ряд дополнительных элементов, осуществляющих связь между детекторами и ПЗС, и обеспечивают меньшую плотность фоточувствительных элементов в фокальной плоскости. С другой стороны, они позволяют выделить переменную составляющую сигнала, подавить фон и выполнить некоторые другие операции обработки между детекторами и ВЗИ-регистрами. Динамический диапазон системы расширяется, поскольку в ячейках ПЗС-регистра уже не накапливается фоновый сигнал. В данном случае также может оказаться целесообразным использование выходного мультиплексора на отдельном кристалле.

а б

Рис. 4. Конфигурации матричных ПЗУ на основе приборов с зарядовой связью

Гибридные структуры. Рассмотренные выше ФПУ с последовательным переносом заряда являются аналогами кремниевых ФПУ видимого диапазона и в принципе могут быть изготовлены в виде монолитных конструкций на основе узкозонных полупроводников. Однако эффективность переноса заряда в ПЗС-регистрах из узкозонных полупроводников существенно ниже, чем в кремниевых, что приводит к снижению чувствительности ФПУ с увеличением числа элементов в матрице. Вследствие этого монолитные матрицы с последовательным переносом заряда для ИК-диапазона спектра имеют меньшее число элементов, чем кремниевые ПЗС-матрицы видимого диапазона спектра. Ограничений, связанных с низкой эффективностью переноса заряда в узкозонных полупроводниках, не имеют гибридные структуры с последовательным переносом заряда, а также матрицы с координатной выборкой. В гибридных структурах перенос пакетов зарядов происходит в кремниевых регистрах, имеющих высокую эффективность переноса, а детектирование излучения - в матрице приемников излучения на основе узкозонного полупроводника или примесного кремния.

В многоэлементных приемниках, собранных по гибридной схеме, преобразование оптического сигнала в электрический и последующая его обработка происходит раздельно в двух составных частях, изготовленных из различных материалов. Детектирование оптического излучения происходит в матрице фоточувствительных элементов, изготовленных из узкозонных полупроводников. Для первичной обработки сигнала, состоящей в поочередном опросе злементов фоточувствительной матрицы, мультиплексировании каналов и усилении сигнала, используется специальный процессор на основе кремния (ПЗС-структуры либо МОП-ключи, осуществляющие двух- или однокоординатную адресацию).

Преимуществом гибридной системы создания многоэлементной матрицы является возможность раздельной оптимизации детектирующих и считывающих структур. Для создания фоточувствительной структуры можно использовать материал, наиболее полно удовлетворяющий эксплуатационным требованиям по рабочей температуре, области спектральной чувствительности, геометрии чувствительных элементов, а для считывания сигналов - материал с наиболее отработанной технологией получения ПЗС-структур и МОП-ключей, с низким уровнем шумов, большим динамическим диапазоном и малой рассеиваемой мощностью. Рабочая температура гибридных структур может быть повышена по сравнению с монолитными структурами, так как в качестве фоточувствительных элементов в них могут использоваться фотодиоды, имеющие малые темновые токи.

Основные технологические трудности при создании многоэлементных приемников по гибридной схеме возникают на этапе соединения чувствительного элемента с соответствующим входом кремниевого процессора. Такое соединение должно осуществлять не только электрическую, но тепловую и механическую связь фоточувствительной матрицы и считывающей структуры. Именно этот этап является решающим в технологии создания гибридных структур и определяет максимальное число элементов в матрице.

Для объединения матрицы фоточувствительных элементов и считывающей кремниевой структуры применяются два основных способа:

- краевая металлизация при непосредственном нанесении фоточувствительного материала на кремниевый кристалл;

- «перевернутый» монтаж (flip-chip метод) с помощью контактных столбиков из мягкого металла, например, индия.

При краевой металлизации электрический контакт между выходом фоточувствительного элемента и входом кремниевой считывающей структуры осуществляется напыленными металлическими контактами. Такая структура обычно применяется для создания одномерных линеек с промежутками между элементами примерно 25 мкм. Для создания двумерных матриц чаще используется способ «перевернутого» монтажа. При этом матрица фоточувствительных элементов и кремниевая структура изготовляются и проверяются отдельно, после этого на них наносят индиевые столбики и затем с помощью термокомпрессии соединяют механически. Чем больше различаются коэффициенты теплового расширения фоточувствительного материала и кремния, тем меньше элементов может входить в матрицу. Например, фоточувствительные матрицы из халькогенидов свинца (РbS, РbSе, РbТе), имеющие коэффициент теплового расширения 2010^-6 K^-1 (для кремния КТР = 210^-6 K^-1), совместимы с кремниевой считывающей структурой при числе элементов не более 10².

В качестве прозрачной для ИК-излучения подложки, на которую эпитаксией из жидкой фазы или из молекулярных пучков наносят фоточувствительный материал, обычно используют BaF₂, InAs или CdTe. Может применяться и непрозрачная в ИК-области спектра подложка. В этом случае электрические контакты к фоточувствительным элементам формируют на той же стороне подложки, на которую падает излучение.

Глава 3. Основные характеристики фотонных приемников

Фотонные приемники, используемые в ИК-системах, должны удовлетворять определенным требованиям.

1. Спектральная область фоточувствительности приемного устройства задается неравенством и определяется энергией возбуждения электронов в фоточувствительном материале. Для собственных и примесных фотоприемников , где измеряется в микрометрах, а - в электроновольтах. Для приемников на диодах Шотки 1,24, где _о - высота потенциального барьера, равного разности между работой выхода металла и электронным средством полупроводника.

2. Максимальная рабочая температура, до которой необходимо охлаждать фотонный приемник излучения, определяется требованием, чтобы приемник работал в режиме, когда его характеристики определяются фоновым излучением (режим ограничения фоном-ОФ).

3. Для работы приемника в режиме ОФ необходимо, чтобы джонсоновский шум был пренебрежимо мал по сравнению с генерационно-рекомбинационным фоновым шумом.

4. Для того чтобы приемник, работающий в режиме ОФ, имел наилучшие пороговые характеристики, необходимо, чтобы квантовая эффективность преобразования излучения была наибольшей, близкой к единице.

Условия 1 и 4 достаточно очевидны, поэтому рассмотрим более детально только условия 2 и 3.

Оптимальной рабочей температурой приемников ИК-излучения является такая температура чувствительного элемента, которая обеспечивает достижение наилучших параметров приемной системы для заданных условий применения и в первую очередь - наилучшую пороговую чувствительность. Наилучшая пороговая чувствительность достигается при реализации наименьшего из возможных уровней шума. Принципиально неустранимым шумом полупроводниковых фотоприемников является генерационно-рекомбинационный шум. Другие шумы тем или иным способом могут быть либо устранены полностью, либо существенно уменьшены. По этой причине оптимальной рабочей температурой приемника излучения является такая температура, при которой генерационно-рекомбинационный шум имеет наименьшее значение.

3.1 Примесный фоторезистор

Суммарный шум фоторезистивного приемника излучения, отнесенный к единичной полосе частот , описывается выражением

(25)

где - заряд электрона; - интенсивность потока фотонов, попадающих на приемную площадку чувствительного элемента; - скорость оптической генерации носителей заряда в фоточувствительном элементе; - площадь чувствительного элемента приемника; - коэффициент фотоэлектрического усиления, равный числу электронов тока во внешней цепи, отнесенному к одному поглощенному фотону; - скорость термической генерации свободных носителей заряда в объеме фоторезистора; - толщина фоточувствительного элемента в направлении распространения излучения; - внутреннее сопротивление фоторезистора; - постоянная Больцмана [2, гл. 4.1.3].

Первое слагаемое в (25) учитывает генерационно-реком-бинационный шум, возникающий при оптической генерации свободных носителей тока; второе слагаемое - генерационно-рекомбинационный шум при термической генерации; третье слагаемое - джонсоновский шум.

Токовая чувствительность с учетом коэффициента фотоэлектрического усиления

(26)

Из (6), (25) и (26) следует, что приведенная обнаружительная способность фоторезистора равна

. (27)

В условиях, когда шум фотоприемника определяется только генерационно-рекомбинационным шумом

. (28)

принятое допущение соответствует выполнению условия пункта 3, то есть

. (29)

Для примесных резисторов оно обычно справедливо, так как их темновое сопротивление при низких температурах очень велико. Примесный резистор, как правило, используется в схемах с малым нагрузочным сопротивлением, и при уменьшении шума фоторезистора джонсоновский шум нагрузочного сопротивления начинает проявляться ранее, чем джонсоновский шум темнового сопротивления фоторезистора.

Скорость термической генерации свободных носителей тока в примесном фоторезисторе (предположим для определенности, что фоторезистор изготовлен из полупроводника с дырочной проводимостью)

, (30)

где - концентрация свободных дырок; - время жизни дырок; , - концентрации акцепторов и доноров соответственно; - эффективная плотность состояний в валентной зоне; - коэффициент рекомбинации дырок; - фактор вырождения акцепторных уровней; - энергия ионизации акцепторной примеси; - постоянная Больцмана; - температура чувствительного слоя.

Таким образом, для примесного фоторезистора приведенная обнаружительная способность в условиях, когда шум фотоприемного устройства определяется генерационно-рекомбина-ционным шумом, равна

(31)

Как видно из (31), при высоких температурах преобладает первое слагаемое в подкоренном выражении и фотоприемник работает в режиме, при котором его обнаружительная способность определяется скоростью тепловой генерации свободных носителей заряда, является функцией температуры. С понижением температуры интенсивность термической генерации падает, первое слагаемое подкоренного выражения уменьшается, значение увеличивается. При низких температурах преобладает второе слагаемое, обнаружительная способность в первом приближении от температуры не зависит и определяется лишь интенсивностью фонового излучения. В этих условиях приемник работает в режиме ограничения фоном (режим ОФ или BLIP-режим) и .

График зависимости от температуры приведен на рис. 5.

Рис. 5. Зависимости D от температуры для примесного фоторезистора из Ge(Hg) (1) и собственного фоторезистора из сплава HgCdTe (2) при различных интенсивностях фонового излучения, определяемых апертурным углом