Фотоприемные матричные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотоприемные матричные устройства

Хотя, как уже отмечалось выше, применение двух- и многодиапазонных ФПУ позволяет упростить конструкцию системы, заметно уменьшить ее габариты, массу и энергопотребление, а также увеличить быстродействие, в больщинстве известных ИКС -3 ближневолновый и коротковолновый ИК-диапазоны выделяются в отдельный спектральный канал. В настоящее время в этом канале часто испольэуются матричные ФПУ на базе InGaSb и InGaAs. Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.

Наиболее перспективными матричными ФПУ для ИКС 3-го поколения, работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, представляются приемники на базе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур» (КРТ-ФПУ), фотоприемники на квантовых ямах (ФКЯ-ФПУ), а также появившиеся сравнительно недавно ФПУ на квантовых точках и на суперрешетках с деформированным слоем (strained layer superlattice - SLS) типа II (СР-ФПУ).

Представляет интерес сравнить отдельные типы современных охлаждаемых фотоприемников, используемых для создания таких матричных ФПУ. На рис.1 приведены теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* таких приемников с различной квантовой эффективностью з от температуры охлаждения Т [28].

Фотоприемные устройства на основе тройных соединений (КРТ-ФПУ) широко используются в ИКС. В ближневолновом и средневолновом ИК-диапазонах материал КРТ конкурирует с InGaSb (при л=1,7 мкм) и с InSb (при л=3…5 мкм).

Рис.1. Теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* при граничной длине волны спектральной характеристики 10 мкм от температуры охлаждения Т для различных приемников ИК-излучения [28]:

1 - фотоэмиссионные приемники (з=67%), 2 - приемники на основе примесной фотопроводимости (з=35%), 3 - приемники на базе квантоворазмерных ям (з=33%), 4 и 5 - приемники на базе квантовых точек при з=2% и 67%, соответственно, 6 - приемники на основе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур (КРТ)» при з=67%, 7 - приемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II.

Фотоприемники на тройных соединениях КРТ[29-34]

Современная технология изготовления КРТ-ФПУ состоит в нанесении множественных эпитаксиальных слоев на подложки из CdZnTe, которые достаточно дороги. Она позволяет изменять длинноволновую границу спектральной характеристики лгр и изготавливать двухдиапазонные КРТ-ФПУ большого формата - порядка 1000 х 1000 пикселов, работающие в ближневолновом/средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Такие приемники обладают высокой квантовой чувствительностью, им свойственен малый уровень темнового тока.

Основной трудностью при выращивании структур на основе КРТ является сильная зависимость ширины запрещенной зоны от состава КРТ-соединения. Даже небольшие колебания температуры роста и температурная неоднородность по поверхности подложки приводят к изменению этого состава и к соответствующим изменениям граничной длины волны спектральной характеристики лгр. Поэтому однородность параметров отдельных пикселов КРТ-ФПУ сравнительно невелика, особенно для длинноволнового ИК-диапазона. Процент выхода годных приемников, изготавливаемых из достаточно дорогого материала - КРТ, невелик.

Последние разработки компаний CEA-LETI и Sofradir имеют спектральную характеристику с при охлаждении до 77 К при квантовой эффективности более 70% без применения антиотражательного покрытия.

Компания Selex представила результаты разработки КРТ-ФПУ формата 640х512 с шагом (размером) пикселов 24 мкм, граничной длиной волны 10 мкм и хорошей однородностью эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) по матрице для 99,6% пикселов..

Двухдиапазонные КРТ-ФПУ для средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов форматов 640х512 с размером пикселов 24 мкм разрабатываются компаниями Sofradir и LETI (совместно), а также Selex. При одновременной работе в обоих диапазонах ФПУ компания Selex обеспечила ЭШРТ порядка 24…26 мК.

Компанией Selex Sensor & Airborn Systems совместно с компанией QinetiQ (Великобритания) разработаны двухдиапазонные матричные приемники на КРТ формата 320 х 256 с размерами пикселов 30 мкм, работающие в средневолновом (ЭШРТ = 12 мК) и длинноволновом (ЭШРТ = 20 мК) ИК-диапазонах.

Примером разработок, направленных на уменьшение размеров пикселов ФПУ на базе КРТ , являются КРТ-ФПУ компании AIM Infrarot-Module GmbH формата 640 х 512 пикселов размерами 24 и 15 мкм, работающие в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. В типовой конструкции ИКС на их основе применяется охлаждаемая диафрагма (диафрагменное число равно 4,6). При времени накопления 5 мс в средневолновом ИК-диапазоне ЭШРТ не превышает 25 мК, а в длинноволновом ИК-диапазоне с граничными длинами волн спектральной характеристики лгр = 9,2 мкм (при Тохл=67 К) или 10 мкм при диафрагменном числе 2,05 и времени накопления 180 мкс ЭШРТ не превышала 38 мК. Для охлаждения этих ФПУ используются либо традиционные портативные системы с вращающимся компрессором, обладающие сравнительно небольшим энергопотреблением (Ricor R508), либо новые бесшумные линейные системы с увеличенным сроком безотказной работы - более 20 тысяч часов (5Х095). Компания ставит своей задачей создание двухдиапазонных ФПУ (0,9…2,5 и 12…15 мкм) для дистанционного зондирования из космоса. Кроме того, для работы в средневолновом ИК-диапазоне предполагается создать ФПУ формата 640 х 512 пикселов размерами 12 мкм, охлаждаемые до 120 К, что позволит уменьшить габариты, массу, энергопотребление и стоимость систем, в которых они будут использоваться.

Для 3-го поколения метеоспутников, намеченных к запуску на геостационарные орбиты после 2015 г., компания AIM Infrarot-Module GmbH разрабатывает КРТ - ФПУ формата 256 х 256 с лгр=14 мкм при Тохл=55 К. Предполагается, что эти ФПУ с размером матрицы 1 х 1 см2 обеспечат ЭШРТ порядка 24 мК при плотности темнового тока 1 пА/мкм2.

Для создания двухдиапазонных КРТ-ФПУ формата 640 х 512 пикселов с размерами 24 и 20 мкм, работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, компания SELEX Galileo Infrared Ltd. использует эпитаксию паров металло-органических соединений (MOVPE), при которой достигаются снижение стоимости, увеличивается выход крупноформатных ФПУ с малым процентом дефектных пикселов, уменьшается неоднородность чувствительности отдельных пикселов. Использование подложки из GaAs позволяет интегрировать фоточувствительный слой и схему накопления и считывания, а также уменьшить потери на отражение и остаточные напряжения, по сравнению с подложками из CdZnTe. За счет уменьшения размеров пикселов до 24 мкм в средневолновом ИК-диапазоне удалось достичь значения ЭШРТ порядка 10 мК, а при размерах пикселов 20 мкм - 14 мК. В длинноволновом ИК-диапазоне значение ЭШРТ составило 23 и 27 мК для пикселов с размерами 24 и 20 мкм, соответственно. Нужно отметить, что достижение ЭШРТ менее 20 мК в средневолновом диапазоне для размеров пикселов 16 мкм стало возможным при температуре охлаждения порядка 150 К. Можно привести таблицу уже достигнутых параметров одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ компании SELEX Galileo Infrared Ltd.

Таблица 1. Некоторые параметры одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ компании SELEX Galileo Infrared Ltd.

Особое внимание разработчиков КРТ-ФПУ, чувствительных в средневолновом ИК-диапазоне, привлекает возможность увеличить рабочую температуру этих фотоприемников (температуру их охлаждения). Подобные разработки ведут различные фирмы. Разработанные компанией DRS-RSTA ФПУ на КРТ-фотодиодах типа n+- n- - p+ способны при температуре охлаждения 160…170 К обеспечить ЭШРТ менее 25 мК и лгр = 4,8 мкм при диафрагменном числе объектива К=3, а для фотодиодов типа n+- p - - p+ при 190 К получить ЭШРТ менее 30 мК для К=3 и даже 240 К для К=1.

Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера разрабатывает КРТ-ФПУ форматов 640 х 512 с пикселами 20 мкм, работающие в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. Для первого из этих диапазонов ЭШРТ составляет менее 25 мК при диафрагменном числе объектива К=4,6 и времени накопления tи = 5 мс; для второго ЭШРТ менее 30 мК при К=2 и tи=110 мкс. В модульных конструкциях на базе этих ФПУ используются экономичные охлаждающие устройства с временем наработки более 20000 час. Предполагается создать такие ФПУ с изменяющейся для каждого диапазона охлаждаемой диафрагмой, что позволит использовать для обнаружения длинноволновый канал с относительным отверстием объектива 1:3, а для распознавания - средневолновый канал с относительным отверстием 1 : 6 .

В последние годы эта компания разрабатывает ФПУ форматов 640 х 512 и 1280 х 1024 с шагом пикселов 15…40 мкм, чувствительных в ближнем ИК (0,9…2,5 мкм) или в длинноволновом ИК (лгр ?15 мкм) спектральных диапазонах. Разрабатываемые ФПУ могут быть уже сейчас использованы в двух- или многодиапазонных ОЭС с выделением спектральных диапазонов не в ФПУ, а в оптической схеме.

К другим направлениям совершенствования двухдиапазонных матричных приемников на базе КРТ являются улучшение «спектрального разделения» и обеспечение одновременного считывания сигналов в обоих рабочих спектральных диапазонах.

В США ИКС 3-го поколения выходят из стадии НИОКР, ведущихся по программе Армии США (Dual-Band FPA Manufacturing Program), предусматривающей создание двухдиапазонных матричных приемников излучения с форматом 1280 х 720 или 640 х 480 на базе тройных соединений КРТ с пикселами 20 мкм. Приемники, разработанные и продемонстрированные фирмой Raytheon Vision Systems, работают по принципу сэндвича в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. Граничная длина волны в длинноволновом диапазоне составляет 10,5 мкм при температуре охлаждения 78 К. Чувствительность приемников при этом оценивается ЭШРТ в 20 мК для средневолнового диапазона и 30 мК для длинноволнового при диафрагменном числе объектива 3,5. Процент годных пикселов составил более 99,9% в длинноволновом диапазоне и свыше 98,5% в средневолновом.

На рис.2 приведены спектральные характеристики одного из таких приемников формата 256 х 256 или 512 х 512 с шагом пикселов 30 мкм, работающего при температуре охлаждения 70 К.

Рис.2. Спектральные характеристики Sл=f(л) двухдиапазонного КРТ-ФПУ

Вся конструкция размещена в корпусе с габаритами 41,91 мм (диаметр) х 101,6 мм (длина). Приемники изготавливались из трехслойных пластин КРТ с гетеропереходами по методу молекулярно-лучевой эпитаксии. Одновременная работа в двух спектральных диапазонах обеспечивалась в специально разработанной схеме считывания TDMI ROIC (SB-350) формата 1280x720 с помощью режима мультиплексной интеграции с временнымм уплотнением. Частота опроса пикселов была доведена до 15 МГц. Кадровая частота двухдиапазонных изображений составила 60 Гц.

В системе с такими приемниками в дальнейшем предусмотрено использование перед чувствительным слоем ФПУ охлаждаемой диафрагмы переменного размера, обеспечивающей диафрагменные числа 3,5 и 6,5, а также холодильника Стирлинга с хладопроизводительностью 600 мВт. Система охлаждения будет включать механизм изменения размера охлаждаемой диафрагмы, построенный на базе пьезоэлектрического привода.

Компания SOFRADIR (Франция) продолжает совершенствовать ИК-матрицы на базе КРТ. Разработана кремниевая схема считывания, увеличена кадровая частота, усовершенствован аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Интегрированные в схему считывания АЦП позволяют реализовать новые специальные функции преобразования сигналов, упростить электрический интерфейс и снизить стоимость системы охлаждения и потребляемую мощность. Формат схемы считывания - 640 х 512 с шагом пикселов 15 мкм. Аналого-цифровое преобразование осуществляется по «столбцовой» схеме, при которой сигналы с пикселов мультиплексируются в столбцы на входе одного АЦП и частота выборки уменьшается до скорости опроса строк. Разрешающая способность АЦП при этом достигает 15 бит с частотой выборки (дискретизации) 62 кГц.

При малых напряжениях смещения приемник чувствителен либо к коротковолновому, либо к длинноволновому излучению в зависимости от полярности приложенного напряжения, как это свойственно двухдиапазонным приемникам. Увеличение обратного смещения снижает барьер, который предотвращает поток электронов из промежуточной области как генерируемых в этой области, так и вызванных прямой инжекцией прямосмещенного перехода. При достижении определенной величины обратного смещения электроны, генерируемые фотонами в промежуточной области, смогут пересечь переход, и граничная длина волны перемещается в сторону бульших длин волн по сравнению с граничной длиной волны коротковолнового диапазона. При изменении напряжения смещения на положительное граничная длина волны сдвигается к длинноволновому диапазону. Подобным образом увеличение положительного смещения сдвигает границу в коротковолновый диапазон. Идеальная чувствительность в промежуточном диапазоне может быть реально не достижима из-за недостаточного поглощения излучения в промежуточной p-области. Испытания опытных образцов приемника проводились при температурах охлаждения 77 К, а также при 145 и 192 К. На рис.3 показаны спектральные характеристики (сглаженные) трехдиапазонного приемника при различных смещениях.

Переход к использованию кремниевых подложек при изготовлении крупноформатных КРТ-ФПУ (1536 х 1024 пикселов с размерами 15 мкм), работающих в ближнем и средневолновом ИК-диапазонах при температурах охлаждения Тохл=140…160 К, позволил при диафрагменном числе К=3,4 достичь режима ограничения фоном до лгр=3,7 мкм в ближнем ИК-поддиапазоне и до лгр=4,8 мкм в средневолновом ИК-поддиапазоне при Тохл=115 К.

Рис.3. Спектральные характеристики трехдиапазонного приемника при различных напряжениях смещения [35]

Сочетание фоточувствительного слоя из КРТ и кремниевой схемы накопления и считывания позволило компании QinetiQ Ltd. разработать ФПУ с ЭШРТ близкой к 10 мК при частоте кадров 2 кГц для широкого спектрального диапазона - 2,5…10,5 мкм.

Компания RVS (Raytheon Vision Systems) разработала ФПУ самого большого из известных сегодня форматов - 4096 х 4096 пикселов размером 20 мкм, работающее в ближнем (температура охлаждения Тохл=110 К) и средневолновом (Тохл= 80 К) ИК-диапазонах. Эти ФПУ были разработаны для ИК космических систем отражения ракетной угрозы (SBIRS).

Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям [2, 3, 36-38 и др.]

Матричные фотоприемники или ФПУ на базе квантоворазмерных ям (ФКЯ-ФПУ) имеют достаточно узкие спектральные характеристики в двух или более спектральных диапазонах. В них используются недорогие подложки (GaAs), у них низок процент дефектных пикселов. Отработанная технология и узкополосное поглощение (Дл/л=0,1…0,2) позволяют производить двух- и многодиапазонные ФКЯ-ФПУ с почти не перекрывающимися рабочими спектральными диапазонами.

Для увеличения поглощения падающего на приемник излучения в современных ФКЯ фоточувствительный слой соединен с резонатором или дифракционной решеткой. Наиболее часто используется резонатор Фабри-Перо. Однако изготовление этих резонаторов с малой шириной ямы и его соединение с фоточувствительным слоем, размещаемым между пластинами резонатора, заметно затрудняет изготовление многодиапазонных приемников. При этом также возникает необходимость иметь дополнительные технические операции для создания различных полос поглощения в одном и том же чувствительном слое.

Малая квантовая эффективность ФКЯ из-за невозможности приема нормально падающего на приемник излучения вынуждает иметь продолжительное время накопления зарядов для достижения хорошей ЭШРТ. Кроме того, для уменьшения темновых токов температура охлаждения ФКЯ должна быть меньше, чем у КРТ.

Известные достоинства ФПУ на базе структур с квантовыми ямами (ФПУ-СКЯ) послужили основанием для выбора этих устройств для обеспечения работы ряда ИКС в длинноволновом ИК-диапазоне. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института продолжает разработки двухдиапазонных ФПУ-СКЯ. Сообщалось о первых испытаниях крупноформатного (1024х1024) ФПУ-СКЯ с размером пикселов 30 мкм, работающего одновременно в спектральных диапазонах 4,4…5,1 и 7,8…8,8 мкм при температуре 68 К. Такое мегапиксельное ФПУ имеет ЭШРТ порядка 27 и 40 мК в этих диапазонах, соответственно. В рабочих спектральных полосах предполагается обеспечить эквивалентную шуму облученность не менее 0,059 Вт/(м2·ср·мкм) и 0,049 Вт/(м2·ср·мкм), а ЭШРТ в обеих полосах - не менее 0,33 К (для температуры наземной сцены 300 К).

Предполагается использование объектива с диафрагменным числом К=1,64 и трех охлаждаемых до Т = 43 К ФПУ формата 640 х 512 с размером пикселов 25 мкм с допуском на стабильность Т в 0,01 К. Время накопления зарядов - 5 мс. Температура первого зеркала объектива принята равной 293 К с допуском на ее стабильность в 1 К, а фона, создаваемого в том числе и оптической системой - 180 К с допуском 0,1 К. Емкость ячеек схемы считывания должна быть не менее 5·106 электронов, а шум считывания менее 1000 электронов.

Матрицы на базе кванторазмерных ям выпускаются рядом компаний. Так, компании Thales и Sofradir производят матрицы форматов 384х288 и 640х512 с шагом пикселов 25 и 20 мкм соответственно.

Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) еще в 2005 г. представила двухдиапазонное ФКЯ-ФПУ формата 384 х 288 х 2 с размерами пикселов 40 мкм, работающее одновременно в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. При полном удалении подложки была заметно улучшена функция передачи модуляции, что обеспечило высокую разрешающую способность.

Рис.4 Спектральная характеристика чувствительности Sл четырехдиапазонного ФКЯ-ФПУ

Рис.5. Вольтовые характеристики токовой чувствительности SІ в максимумах спектральных характеристик отдельных спектральных диапазонов (для сохранения единого масштаба кривая чувствительности для Д1 умножена на 5).

В 2009 г. Лаборатория реактивного движения (JPL) Калифорнийского технологического института опубликовала статью, в которой подводятся итоги разработок крупноформатных ФПУ на базе соединений InGaAs/GaAs/AlGaAs, работающих в двух и четырех спектральных диапазонах [37]. Подробно описывается конструкция четырехдиапазонного ФПУ общего формата 640 х 512 пикселов с пространственно разделенными по отдельным столбцам спектральными каналами, каждый из которых имеет формат 640 х 128 пикселов [37]. Такая конструкция ФПУ позволяет вести прием и считывание сигналов в отдельных спектральных диапазонах одновременно, что увеличивает быстродействие ФПУ и позволяет использовать единую для всех диапазонов систему охлаждения.

Рис.6. Зависимости удельных обнаружительных способностей D* от температуры охлаждения для каждого из рабочих cпектральных диапазонов Д1….Д4 четырехдиапазонного ФПУ [37].

Спектральные характеристики четырехдиапазонного приемника, описанного в [37], имеют максимумы на длинах волн 5,0; 9,1; 11,0 и 14,2 мкм (рис.4), а соответствующие значения относительной ширины полосы Дл/л равны 26%, 15%, 17% и 11%. На рис.5 показаны зависимости максимума спектральной вольтовой чувствительности отдельных спектральных каналов такого приемника (Д1=4…6 мкм, Д2=8,5…10,0 мкм, Д3=10…12 мкм и Д4=13…15 мкм) от величины напряжения смещения, а на рис.6 приведены значения удельной обнаружительной способности отдельного пиксела каждого из каналов при напряжении смещения -1,5 В, диафрагменном числе объектива К=5 и температуре фона 300 К.

При использовании кремниевой КМОП-схемы считывания и температуре охлаждения фотоприемника менее 83 К отношение сигнал-шум в спектральном канале 4…6 мкм ограничивалось неоднородностью чувствительности пикселов ФПУ, шумом схемы считывания и дробовым шумом. При температуре охлаждения около 45 К для канала 13…15 мкм это ограничение определялось темновым токовым шумом. Для диапазонов 8,5…10,0 и 10…12 мкм при температуре охлаждения 45…83 К был достигнут предел - радиационный шум фона.

Процент годных пикселов был высок - свыше 99,9%. Экспериментально полученные значения ЭШРТ для диапазонов Д1,,,Д4 при температуре охлаждения 40 К составили 21, 45, 14 и 44 мК, соответственно. Сравнительно большие значения ЭШРТ для диапазонов Д2 и Д4 объясняются большим влиянием геометрического шума.

В [37] рассмотрена возможность применения четырехдиапазонного ФПУ в качестве устройства для измерения температуры наблюдаемых объектов.

Авторы [37] описывают конструкцию двухдиапазонного ФПУ, построенного по схеме сэндвича и работающего одновременно в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Разделительным слоем является тонкий слой (0,5 мкм) легированного GaAs. Спектральная характеристика ФПУ представлена на рис.7, а конструкция одного пиксела - на рис.8.

Рис. 7. Спектральная характеристика двухдиапазонного ФПУ

Рис. 8. Схематическое изображение одного пиксела двухдиапазонного ФПУ (MWIR - средневолновый, LWIR - длинноволновый ИК-диапазоны)

Первые разработки таких ФПУ имели формат 320 х 256 пикселов с периодом расположения 40 мкм и площадью фоточувствительного слоя 38 х 38 мкм2. Число годных пикселов ревышало 95 %. В системе охлаждения использовался холодильник Стирлинга замкнутого типа. При температурах охлаждения ниже 68 К отношение сигнал-шум ограничивалось неоднородностью фоточувствительной матрицы, шумами схемы считывания и радиационным шумом приходящего сигнала. При температуре охлаждения более 72 К превалировало влияние темновых токов.

Для кадровой частоты 30 Гц при температуре охлаждения 65 К экспериментально измеренная эквивалентная шуму разность температур составила 28 мК для средневолнового и 38 мК для длинноволнового ИК-диапазонов.

Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать ФПУ большого формата (1024 х 1024) [37]. Измеренная удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики средневолнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 90 К составила 4•1011см•Гц0,5•Вт-1, а в максимуме спектральной характеристики длинноволнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 70 К была равна 1•1011см•Гц0,5•Вт-1. Эквивалентная шуму разность температур при температуре охлаждения 70 К составила 27 и 40 мК для средневолнового и длинноволнового ИК диапазона, соответственно.

В [38] сообщается о создании ФПУ, работающего в спектральных диапазонах 3,6…5,4 и 7…9 мкм и имеющего формат 256 х 256 пикселов размерами 25 мкм. В первом из них максимум квантовой эффективности (55%) приходится на длину волны 4,7 мкм, а во втором (23%) - на 8,8 мкм. При диафрагменном числе 2,6 и времени накопления менее 5 мс значения ЭШРТ в обоих диапазонах составили менее 50 мК. Рабочие температуры ФПУ были равны менее 70 К в первом из диапазонов и менее 65 К во втором. Такие ФПУ, включающие в себя схему считывания и накопления ISC0208 фирмы Indigo, создавались для тепловизора CATHERINE-XP.

Фотоприемники на квантовых точках (ФКТ) [28? 39-42]

В этих ФПУ (ФКТ-ФПУ), по сравнению с ФКЯ, квантовые ямы заменены квантовыми точками, имеющими объемную локализацию во всех направлениях. Приемники излучения на квантовых точках (QDIP) принято считать одними из наиболее перспективных для создания новых ИКС 3-го поколения. В [28] отмечается, что такие свойства ФКТ-ФПУ как возможность принимать излучение, падающее по нормали к поверхности фоточувствительного слоя, т.е. высокая квантовая чувствительность, малый темновой ток, сравнительно высокая рабочая температура, а также хорошо освоенная технология изготовления матричных ФПУ, подобная технологии материалов А3В5 на дешевых подложках., позволят им уже в ближайшем будущем конкурировать с КРТ-ФПУ. Сообщалось о создании QDIP-приемников, способных работать в средневолновом ИК-диапазоне (3…5 мкм) при температуре охлаждения выше 200 К и в длинноволновом ИК-диапазоне (8…12 мкм) при140 К [39].

Для создания двух- и многодиапазонных фотоприемников используются различные технологии. Так, известны приемники в виде матрицы пикселов, каждый из которых состоит из двух фотодиодов, соединенных по схеме «спина к спине». Каждый пиксел для образования двухдиапазонного приемника имеет два контакта, куда подаются напряжения смещения.

Другой тип приемника использует изменяемое напряжение смещения для сдвига спектральной характеристики. Достоинством этой конструкции является упрощение технологии изготовления приемника за счет уменьшения числа контактов, наносимых на отдельные пикселы. Принцип работы перестраиваемого двухдиапазонного ФПУ на квантовых точках заключается в следующем. При малом напряжении смещения высокие энергетические барьеры в многослойной структуре GaAs блокируют носители, созданные длинноволновым ИК-излучением, и приемник работает в средневолновом диапазоне. При возрастании напряжения смещения высота барьеров уменьшается, что позволяет регистрировать фотоэлектроны, вызванные поглощением излучения в длинноволновом диапазоне и перешедшие барьеры. При отрицательном напряжении смещения порядка -0,3 В из-за отсутствия барьеров, блокирующих длинноволновое излучение, приемник работает одновременно в обоих спектральных диапазонах. Таким образом, меняя величину смещения, можно управлять режимом работы ФПУ.

Известна разновидность QDIP-приемников, в которых квантовые точки InAs внедрены в квантовые ямы InGaAs с ослабленной деформацией. В них ширина квантовых ям меняется асимметрично вверху и внизу ямы, что приводит к различию спектральных чувствительностей при положительных и отрицательных смещениях [40].

Нужно отметить сильное влияние квантовой эффективности на D* фотоприемников на базе квантовых точек. Настройка квантовых точек может осуществляться изменением напряжения смещения [41]. Считается, что по сравнению с квантовыми ямами квантовые точки имеют более продолжительное время жизни благодаря подавлению фотонного рассеяния и большей продолжительности возбужденных состояний.

В [42] описывается конструкция и технология изготовления многодиапазонного фотоприемника, в котором падающее излучение поступает на поверхность фоточувствительного слоя через плазмон - слой серебра толщиной около 150 нм в виде периодической двумерной решетки с квадратными отверстиями. Спектральной характеристикой приемника можно управлять, при изменяя шаг решетки, т.е. резонансные моды плазмона.

Конструкция пиксела такого приемника содержит подложку из GaAs, на которую последовательно наносятся нижний слой из n-GaAs с металлическими контактами, активный слой, в котором содержатся наборы из квантовых точек, внедренных в квантовые ямы, и промежуточные барьеры. Затем идут верхний слой из n-GaA с контактами и верхний металлический слой - плазмон.

Активные слои пикселов состоят из квантовых точек InSb, внедренных в одиночные или двойные квантовые ямы. Конструкция с одиночными квантовыми ямами содержала набор из 15-ти InSb-точек, помещаемых в ямы In0,15Ga0,85As с барьерами из GaAs. В конструкции с двойными квантовыми ямами использовались наборы из 30-ти InSb-точек в ямах In0.15Ga0.85As/GaAs с барьерами из Al0.1Ga0.9As.

При температуре охлаждения опытного образца Т=30 К и положительном смещении 4 В спектральная характеристика имела широкую область чувствительности - от 7 до 10,4 мкм. При Т=30 К и смещении -4,2 В области спектральной чувствительности составили 4,9…7,8 мкм и 10…11 мкм с максимумом на 10,3 мкм и полушириной полосы около этого пика порядка 1,4 мкм. При меньших напряжениях смещения пик спектральной характеристики чувствительности образца приходился на средневолновый ИК-диапазон.

Исследования такого приемника проводились при отношении ширины отверстия плазмона к периоду размещения отверстий (период решетки) 0,567 и отношении этого отверстия к длине волны порядка 0,31. При увеличении периода решетки пик спектральной характеристики смещался в сторону больших длин волн.

Определялась чувствительность приемника к состоянию поляризации падающего на него излучения. При температуре охлаждения 77 К и напряжении смещения 5 В резонансный пик спектральной чувствительности к неполяризованному излучению наблюдался на длине волны 6,8 мкм при состоянии поляризации 0о. При изменении состояния поляризации на 90о эта чувствительность падала вдвое. При этом возникал небольшой пик чувствительности в области около 8 мкм.

Компания RTI International сообщила о новых образцах фотоприемников на базе квантовых точек (ФКТ-ФПУ), с увеличенным спектральным диапазоном, по сравнению с ФПУ на InGaAs. Квантовая чувствительность таких фотодиодов превышает 50%, а постоянная времени составляет менее 10 мкс, что делает их пригодными для использования в быстродействующих ИКС. Линейность входного сигнала наблюдалась в динамическом диапазоне 40дБ. Они работают при комнатной температуре и хорошо сочетаются с монолитными интегральными схемами считывания на гибких подложках, что снимает всякие ограничения по размеру ФПУ. Технология их изготовления достаточно проста, что значительно снижает стоимость ФПУ. Эта технология позволяет создавать крупногабаритные многодиапазонные МФПУ с расширенной спектральной характеристикой в диапазоне 0,25….1,8 мкм.

Устройства работают на гетеропереходах PbS-C60 (фуллерен). Структура фотодиодного ФКТ состоит из прозрачной для излучения стеклянной подложки, на которую наносится прозрачный проводник, обычно окисел In и Sn. Этот проводник является одним из контактов фотодиода. Затем следует активная область, состоящая из блокирующего электронного слоя, слоя квантовых точек PbS диаметром порядка 5 нм, слоя фуллерена и, наконец, слоя, блокирующего дырки. Квантовые точки размещаются в органическом растворителе, обычно толуоле. Слой с квантовыми точками имеет толщину порядка 100 нм. Слой фуллерена напыляется на слой с квантовыми точками. Блокирующие (изолирующие) слои могут наносится испарением или нанесением из раствора. На активную область наносятся верхние контакты из Al. В опытных образцах диаметр Al-контактов был равен 3 мм. Обратное смещение составляло - 2В. В качестве верхнего контакта предлагается использовать пикселы схемы считывания вместо Al-контактов.

Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II [43-49]

Как альтернативу ФПУ на основе КРТ и СКЯ в последние годы все чаще рассматривают фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (type II superlattice - T2SL). Такие ФПУ позволяют сравнительно просто получать перестраиваемую длинноволновую границу спектральной характеристики лгр; они обладают высокой поглощательной способностью и, как следствие, высокой квантовой эффективностью, более однородны по фоточувствительному слою, имеют малые темновые токи. Сегодня создание крупноформатных ФПУ на базе T2SL затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb, применяемых при их изготовлении. Лучшие T2SL-ФПУ имеют форматы 320 х 256 пикселов и менее. Так, сообщается об изготовлении T2SL-ФПУ на базе гибридных гетероструктур InAs/GaInSb/AlGaInSb формата 256 х 256 пикселов размером 40 мкм, работающих при температурах 78…80 К и имеющих квантовую эффективность около 40% на длине волны 8 мкм. Темновые токи этих ФПУ в 10…20 раз меньше, чем у близких по параметрам ФПУ-КРТ. Значение лгр у этих ФПУ может смещаться от 9 до 11,5 мкм.

В последнее время привлекает внимание возможность создания T2SL-ФПУ T2SL-ФПУ на подложках из GaAs, хорошо освоенного в электронной промышленности. В таких ФПУ уже достигнута удельная обнаружительная способность D?= 1,1•1011 Вт-1см Гц1/2 при Тохл=77 К в диапазоне 8…12 мкм.

Работа фотоприемников на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II (СР-ФПУ) основана на аномальном взаимном расположении зоны проводимости InAs и валентной зоны GaSb - первая расположена ниже второй. Ширину запрещенной зоны в них можно подбирать в широких пределах (3…30 мкм), и она в большей степени зависит от толщины слоев, нежели от композиции материалов. Технология изготовления СР-ФПУ, основанная на молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет формировать однородные фоточувствительные слои с высоким процентом годных приемников. При этом имеется возможность точной регулировки лгр . Значение лгр растет с увеличением рабочей температуры; значение ЭШРТ остается практически постоянным до 90 К, после чего начинает резко возрастать. Это вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны, что ведет к возрастанию тепловой генерации носителей заряда [43].

Интерес к CР-ФПУ, обладающим большим коэффициентом поглощения, возник из-за возможности замены ими КРТ-ФПУ, а также из-за того, что они поглощают нормально падающее на них излучение, так что в отличие от ФКЯ-ФПУ никаких дифракционных структур в их конструкции не требуется. Технология их изготовления основана на хорошо отработанной технологии материалов А3В5 на дешевых подложках. Из рис.1 видно, что теоретическое значение D* у них выше, чем у других типов приемников.

Распространенными материалами CР-ФПУ являются InAs, GaSb, AlSb, GaInSb. В последние годы демонстрировались СР-ФПУ средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов. В [43] сообщалось о разработке матрицы формата 320 х 256 на базе InAs/GaSb с лгр =9,6 мкм на уровне 50% от максимума при температуре 80 К. Квантовая эффективность при использовании антиотражающего покрытия составила 80%, а ЭШРТ - 23 мК. Матрица работает с частотой кадров более 32 Гц и при смещениях от 120 до 200 мВ без изменения чувствительности.

В последние годы усилия исследователей из Фраунгоферского института прикладной физики твердого тела (IAF) были направлены на создание серийных образцов двухдиапазонных ФПУ на сверхрешетках типа II третьего поколения, для ИКС, работающих в средневолновом ИК-диапазоне (3…5мкм. Такие ФПУ идеально подходят для работы в составе бортовых комплексов оповещения о ракетной угрозе, благодаря возможности обеспечивать малую вероятность ложных тревог при построении изображений нагретых потоков СО2 в считанные миллисекунды. Было изготовлено 11 двухдиапазонных ФПУ формата 288х384 на подложке из GaSb размером три дюйма, которые отличались высокой однородностью пикселов и малой ЭШРТ. Период пикселов составлял 40 мкм, но мог быть уменьшен до 30 мкм. Температура охлаждения равнялась 77 К. Первые приемники на сверхрешетках строились на основе короткопериодных структур InAs/GaSb. Они позволяли одновременно принимать излучение в двух спектральных каналах внутри диапзона 3…5 мкм. При температуре охлаждения 78 К и времени накопления 0,2 мс ЭШРТ таких ФПУ составила 25,9 мК в спектральном канале 3…4 мкм и 14,3 мК в канале 4…5 мкм.

Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера еще в 2005-06 г.г. разработала двухдиапазонные (3…4 и 4…5 мкм) СР-ФПУ формата 384 х 288 с периодом пикселов 40 мкм на базе InAs/GaSb со значениями ЭШРТ 12 мК в диапазоне 3…4 мкм и 22 мК в диапазоне 4…5 мкм при диафрагменном числе К=2 и времени накопления tн= 2,8 мс. Температура охлаждения приемников равнялась 77…85 К. В 2009 г. появилось сообщение о разработке двухдиапазонных СР-ФПУ формата 384 х 288 пикселов со средними значениями ЭШРТ 25,9 мК (для 3…4 мкм) и 14,3 мК (4…5 мкм) при охлаждении до 78 К и времени накопления 0,2 мс [44].

В [44, 45] описывается технология изготовления двухдиапазонных СР-ФПУ методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Была выбрана конструкция с вертикальным расположением «спина к спине» двух фотодиодов на основе суперрешеток с контактным слоем между ними. Толщина слоев коротковолновой структуры должна быть больше, чем в длинноволновом канале для уменьшения перекрестных спектральных искажений.

Стандартная схема считывания этих ФПУ представляет собой мультиплексор на КМОП-элементах с непосредственной инжекцией зарядов. Различие в интенсивности фоновых потоков в рабочих спектральных диапазонах учитывается путем выбора различных режимов накопления зарядов и независимого управления временами накопления. Для адаптации к изменениям яркости наблюдаемой сцены предусмотрена возможность выбора двух режимов усиления - высокого и низкого. Матрица работает в режиме мгновенной съемки, т.е. сначала происходит накопление, а затем одновременное считывание сигналов обоих рабочих диапазонов. Схема считывания имеет восемь выходов, каждый из которых работает на максимальной частоте 10 МГц. Для каждого спектрального канала имеются четыре выхода. Схема может запускаться внешним кадровым синхросигналом с частотой до 100 Гц для времени накопления менее 6 мс. Для более высоких частот кадров предусмотрено программирование окон в кадре.

В качестве системы охлаждения может использоваться стандартный модуль компании AIM Infrarot-Module GmbH SL150 мощностью 1,5 Вт или SL100 мощностью 1 Вт. Компания разработала также новый модуль SF100, средняя наработка на отказ у которого составляет 20000 ч и более.

В Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института были созданы образцы СР-ФПУ с барьерными ИК приемниками (BIRD) на базе соединений InAs/GaSb/ AlSb, в которых используются униполярные барьеры, блокирующие только один какой-либо тип носителей [46]. Опытные образцы имели граничную длину волны 10 мкм и работали при температуре 77 К. Без применения просветляющего покрытия была достигнута чувствительность 1,5 А/Вт и плотность темнового тока 10 -5 А/см2 при напряжении питания 0,2 В. Для температуры фона 300 К значение D* составило 2,6·1010 Вт-1Гц1/2см.

В [47, 48] обсуждаются вопросы разработки СР-ФПУ на основе InAs/(In,Ga)Sb, которые могут быть использованы для работы в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Переключение диапазонов достигается изменением напряжения смещения на малую величину (около 0,1 В) и его полярности. Образцы СР-ФПУ формата 320 х 256 при температуре охлаждения 77 К имели ЭШРТ порядка 24 мК (при К=4 и tн =16,3 мс), удельную обнаружительную способность D*=6,4 ·1011 Вт-1·см·Гц1/2 и чувствительность 1,5 А·Вт-1. Значения лгр в рабочих спектральных диапазонах равнялись 3,5 и 8,0 мкм.

Поскольку создание крупноформатных СР-ФПУ затруднено из-за ограниченных размеров подложек из GaSb (до 2…3-х дюймов), их высокой стоимости, а также значительного поглощения ими ИК-излучения, в последнее время привлекает внимание разработка СР-ФПУ на подложках из более дешевого и лучше освоенного в электронной промышленности материала - GaAs. Подложки из GaAs имеют размеры до 6 дюймов и лучше пропускают ИК-излучение. В [49] указывается, что оптические и электрические характеристики опытных образцов СР-ФПУ на подложках из GaAs соответствуют характеристикам СР-ФПУ на подложках из GaSb.

ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона

Матричные ФПУ ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона на базе InGaSb и InGaAs неоднократно предлагались для использования в ИКС, работающих комбинированным (активно-пассивным) методом. Активный канал, работающий на безопасных для глаза длинах волн, может использоваться для приема отраженного от цели излучения лазера, и при стробировании по дальности возможно увеличить дальность обнаружения и распознавания различных целей, как это имеет место в лидарах. Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.

Учитывая малые габариты, массу и энергопотребление (менее 5 Вт) подобных ФПУ и камер на их основе, можно ожидать их широкого применения в комбинированных (комплексированных) ИКС, работающих в двух или более участках ИК спектра. Разделение всего рабочего участка спектра на отдельные спектральные диапазоны возможно с помощью узкополосных оптических фильтров.

В настоящее время во многих ИКС, работающих в ближневолновом ИК-диапазоне, используются матричные фотоприемные устройства (МФПУ) на базе InxGa1-xAs. Для них достигнута хорошая обнаружительная способность и низкий уровень шума.

Для работы в коротковолновом ИК-диапазоне (1,0…2,5 мкм) часто предлагается использовать фотодиодные ФПУ на базе InGaAs/GaAsSb типа II, выращенные на подложке из InP. Эти ФПУ используются в беспилотных летательных аппаратах, ручном стрелковом вооружении, разведывательной и другой аппаратуре. Кроме того, такие ФПУ применяются для обнаружения лазерного излучения, как собственного при работе активным методом, так и создаваемого противником.

Системы с InGaAs-ФПУ чувствительны к ИК излучению с длинами волн до 1,7 мкм (при x = 0,53) и до 2,5 мкм (при x = 0,8), где велико излучение вспышек выстрелов, детонаций, факелов ракет, а также имеет место ночное свечение атмосферы, вызванное ионизацией в верхних ее слоях и обеспечивающее работу ИКС в безлунную ночь. Малая инерционность InGaAs-фотодиодов позволяет регистрировать быстропротекающие процессы, например, при быстром взаимном перемещении носителя ФПУ и просматриваемой сцены. Эти системы имеют малые темновые токи и не требуют поэтому криогенного охлаждения; они работают с термоэлектрическими охладителями, необходимыми для проведения коррекции неоднородности чувствительности и темновых токов отдельных пикселов.

Компания Goodrich ISR Systems (прежде Sensors Unlimited, Inc.) разрабатывает ИКС с InGaAs-ФПУ, начиная с начала 1990-х г.г. Спонсируемая DARPA, компания к настоящему времени создала на основе InGaAs-ФПУ формата 640 х 512 пикселов систему SU640KTSX с массой менее 100 г, частотой кадров 60 Гц и разрядностью видеовыхода 12 или 14 бит [50]. В этой системе имеется блок двухточечной коррекции неоднородности, автоматическая регулировка усиления, блок улучшения изображения и форматирования видеовыхода. Термоэлектрический охладитель используется для стабилизации ФПУ при одном значении температуры - 18 или 23оС. Аналого-цифровые преобразователи интегрированы в схему накопления и считывания, что обеспечивает небольшие размеры, массу и энергопотребление ФПУ. Так, общая потребляемая мощность составляет менее 1 Вт.

Камера SU640KTSX использует формат 640 х 512 и имеет массу менее 100 г. В камере осуществляется стабилизация рабочей температуры с помощью термоэлектрического охладителя на основе эффекта Пельтье и одноточечная коррекция неоднородности отдельных пикселов в диапазоне 18о…23о C, а также автоматический контроль коэффициентов усиления.

Как пример разработок ФПУ на базе InGaAs/InP - фотодиодов, чувствительных в диапазоне 0,4…1,7 мкм, с кремниевой интегрированной схемой считывания можно привести матрицу формата 1280х1024 с размером пикселов 20 мкм фирмы Goodrich (ранее Sensors Unlimited, Inc - SUI), а также разработку той же фирмы ФПУ такого же формата с шагом пикселов 15 мкм. У последней схема считывания может работать на частоте кадров 120 Гц и имеет динамический диапазон 3000:1 в режиме непрерывного накопления [52].

Для работы в том же диапазоне (до 1,6 мкм) рассматривается возможность использования недорогих неохлаждаемых ФПУ на базе SiGe [51]. Применяемая при их изготовлении кремниевая технология хорошо отработана. Она обеспечивает малые размеры пикселов и совместимость с кремниевыми схемами считывания и обработки сигналов. Компанией Magnolia Optical Technologies Inc. разработаны монолитные матричные ФПУ формата 128 х 128, чувствительные в видимом и ближневолновом ИК диапазонах (от 0,4 до 1,65 мкм) с шагом пикселов 10 мкм. В этих матрицах кремниевые фотодиоды стандартного КМОП-фотоприемника заменены германиевыми фотодиодами.

Перспективные охлаждающие устройства ФПУ [53-58]

К охлаждающим устройствам (ОУ), обеспечивающим низкую рабочую температуру ФПУ в ИКС различного назначения, предъявляются специфические требования. Для портативных ИКС, применяемых, например, в стрелковом вооружении или в космической аппаратуре, требуются ОУ с наивысшей эффективностью, оцениваемой холодильным коэффициентом или термодинамическим КПД - отношением холодопроизводительности к потребляемой мощности, а также с малыми габаритами и массой. Для систем с большим сроком непрерывной работы, например ИКС пограничного наблюдения, обязателен большой срок наработки на отказ. Практически во всех случаях необходима высокая надежность ОУ.

Правительством США принята программа по развитию технологии производства ИКС 3-го поколения с криостатом и холодильником - 3-rd Generation Infrared Integrated Dewar Cooler Assemblies (IDCA) Manufacturing Technology (MANTECH) Program, задачей которой является снижение стоимости компонентов системы и ее сборки на 39% из расчета производства 4600 изделий в течение 12 лет. Программа рассчитана на 3 года и предусматривает разработку двухдиапазонного матричного приемника для средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов и механизма изменения размера охлаждаемой диафрагмы, размещаемой перед фоточувствительным слоем ФПУ.

Как известно, одним из недостатков высокочувствительных фотоэлектронных приемников излучения является необходимость снабжать их криогенными охлаждающими устройствами, что увеличивает стоимость, массу, габариты и энергопотребление всей ИКС, ограничивает срок службы системы, увеличивает шумы и вибрации. В связи с этим все большее распространение в ИКС нового поколения находят импульсно-трубочные криогенные устройства с линейным перемещением регенератора. Такие устройства, хотя и уступают устройствам с вращающимся компрессором в габаритах, массе и потребляемой мощности, однако более удобны в размещении, создают меньший акустический шум и вибрации, а главное, имеют гораздо больший срок безотказной работы. В этих устройствах уменьшение объема и гидравлического диаметра регенератора, а также увеличение среднего давления позволяет обеспечить высокую эффективность работы криогенных устройств. В экспериментах, описанных в [53], хорошая эффективность достигалась при частотах импульсов 100…140 Гц. Увеличение рабочего давления и рабочих частот вело к заметному уменьшению времени выхода на нужную температуру и сокращению габаритов системы охлаждения. Это потребовало разработать специальный компрессор и довести диаметр выходного отверстия регенератора до 30 мкм и менее.

Миниатюрное импульсно-трубочное криогенное устройство обеспечивает температуру 80 К и частоту 150 Гц при среднем давлении 5 МПа. Диаметр и длина регенератора были равны 4,4 мм и 27 мм соответственно. Наименьшая достигнутая температура равнялась 97 К, но при мощности рефрижератора 530 мВт она составила 120 К. Время установления температуры 80 К составило 5,5 мин.

Компания Ricor разработала криогенное устройство, работающее на частотах до 200 Гц и обеспечивающее температуру 95 К при хладопроизводительности 1 Вт, в котором используется поршневой компрессор с подшипниками на подвижных магнитах и пневматически управляемый расширитель, соединенные между собой гибкой связью [54].

Испытания криогенных устройств фирмы Thales Cryogenics с гибкими подшипниками показали, что срок их безотказной работы составляет десятки тысяч часов - от 30150 ч (LSF9188) до 69450 ч (LPT9110). Меньший срок службы имели устройства с подвижными индукционными катушками - от 17955 ч до 40322 ч (UP7080).

В связи с постоянным стремлением удешевить систему охлаждения ФПУ, снизить ее стоимость и массу, увеличить срок службы и избежать применения движущихся деталей не пропадает интерес к термоэлектрическим охладителям. Сегодня лучшие из них, имеющие четыре ступени охлаждения, обеспечивают перепад температур порядка 110 К. Как указывается в [56], с их помощью для ФПУ на базе КРТ удается обеспечить рабочую температуру 210 К и получить ЭШРТ порядка 30 мК при диафрагменном числе объектива К=2.

Компания Raytheon Vision Systems в соответствии с этой программой разрабатывает модуль системы охлаждения для двухдиапазонных ИК-систем переднего обзора (SADA - Standard Advanced Dewar Assembly), в котором в едином охлаждаемом объеме размещаются ФПУ высокого разрешения формата 640 х 488 или 1280 х 720 пикселов размером 20 мкм; охлаждаемая диафрагма, размер которой может изменяться в два раза; высокоэффективный охладитель ФПУ и малогабаритный электронный блок, управляющий работой ФПУ, механизмом изменения размера охлаждаемой диафрагмы, аналого-цифровым преобразователем видеосигнала на выходе ФПУ, двухточечной системой коррекции неоднородности пикселов ФПУ в обоих рабочих спектральных диапазонах. Габариты электронного блока, размещаемого в охлаждаемом объеме, составляют примерно 120 х 57 х 44 мм3. Общая масса разрабатываемого модуля равна 1,8 кг [57].

Наиболее распространенными сегодня являются ОУ, работающие по циклу Стирлинга, а также ротационные (вращающиеся) охладители. Последние обеспечивают холодопроизводительность порядка 0,5…1,0 Вт на 1 кг охлаждаемой массы. Для тех применений, где необходим срок службы, выходящий за пределы возможностей ротационных ОУ, обычно используются охладители Стирлинга различных размеров, обеспечивающие мощность охлаждения от 0,6 до 8 Вт при рабочей температуре охлаждения порядка 80 К [52]. Замена ротационных ОУ на разветвляющиеся линейные позволяет снизить вибрации на выходе, что важно для улучшения качества изображения, а также для увеличения срока наработки на отказ. В [58] сообщается, что такая замена позволила увеличить этот срок с 1000 час до 4000 час.

В линейных ОУ срок службы ограничивается износом поршня компрессора и загрязнением рабочего газа. Увеличение зазора между поршнем и цилиндром, повышающее надежность ОУ за счет уменьшения износа поршня, ведет к увеличению потребляемой мощности.

В линейных ОУ, работающих по циклу Стирлинга, используются либо подвижная катушка, либо подвижный магнит. В [52] указывается, что микроминиатюрные линейно-разветвленные охладители Стирлинга фирмы THALES Cryogenics с подвижной катушкой имеют компрессор диаметром 35 мм с длиной 110 мм, массой 0,47 кг. Они обеспечивают мощность охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Ожидается, что срок таких ОУ достигнет в ближайшее время 15 тыс. часов.

Поскольку катушка является основным источником загрязнения рабочего газа, что, в свою очередь, уменьшает срок службы ОУ, конструкция с подвижным магнитом имеет преимущества перед ОУ с подвижной катушкой. Кроме того, в этой конструкции нет электрических переходных соединений или вибрирующих проводов, которые нуждаются в точной регулировке для предупреждения колебаний во время работы ОУ.