Фотоприемные матричные устройства

Рис.9. Конструкция ОУ с подвижным магнитом и изогнутыми подшипниками

Ряд зарубежных фирм успешно разрабатывает новое поколение ОУ с улучшенными параметрами и характеристиками - устройства с изогнутыми подшипниками и импульсно-трубочными хладопроводами (рис.9 и 10). Изогнутые подшипники поддерживают движущийся поршень в центре цилиндра, т.е. предотвращают механический контакт и износ при зазоре порядка 1 мкм. Это увеличивает срок службы ОУ вдвое.

Охладители Стирлинга с подвижным магнитом фирмы THALES Cryogenics имеют компрессор диаметром 44 мм с длиной 140 мм, массой 1 кг и обеспечивают мощность охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Срок службы таких ОУ с изогнутыми подшипниками достигнет в ближайшее время 30 тыс. часов [52]. В аналогичной конструкции компании AIM Infrarot - Module Gmbh этот срок достиг 20 тыс. часов [58].

Рис.10. Охлаждающее устройство с импульсно-трубочным хладопроводом

Наиболее ощутимые преимущества перед ОУ, работающими по циклу Стирлинга, имеют ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом, обладающим очень большой надежностью. Полное отсутствие движущихся механических деталей позволяет устранить выходные вибрации на холодном наконечнике - выходе ОУ.

Отсутствие истирания и износа рабочего поршня и расширителя приводит к увеличению потребления энергии, а также снижает загрязнение рабочего газа. За этот счет срок службы ОУ увеличивается до 50 тыс. часов. При потребляемой мощности 80 Вт и температуре охлаждения 80 К разработки компании AIM Infrarot - Module Gmbh обеспечивают тепловую нагрузку 0,5 Вт при окружающей температуре 65оС (рис.10). Зависимость тепловой нагрузки от потребляемой мощности для различных значений окружающей температуры приведена на рис.11 [58], а на рис. 12 и 13 приведены зависимости тепловой нагрузки (мощности охлаждения) от температуры холодного наконечника ОУ марки LPT9710 при различных потребляемых мощностях и мощности охлаждения хладопровода марки LSF9330, управляемого компрессором LPT9710 от температуры наконечника при различных потребляемых мощностях.

Рис.11. Зависимость тепловой нагрузки импульсно-трубчатого охладителя SL400 от потребляемой мощности при температуре охлаждения 77 К для различных значений окружающей температуры

Охладитель с импульсно-трубчатым хладопроводом (ОИТ) со сроком службы более 30 тыс. ч был использован фирмой AIM Infrarot - Module Gmbh (Германия) для непрерывной работы в тепловизионных системах обнаружения орудийного огня. Предполагается, что такие охладители могут заменить широко применяющиеся в настоящее время охлаждающие устройства с циклом Стирлинга. Фирма разработала многодиапазонный (гиперспектральный) датчик формата 1024х256 пикселов размерами 24х32 мкм, использующий систему охлаждения с ОИТ [58]. Для охлаждающей мощности 1 Вт при температуре окружающей среды + 60?С и температуре охлаждения приемника 80 К требуется входная мощность компрессора с ОИТ порядка 60 Вт.

Рис.12. Зависимость тепловой нагрузки от требуемой температуры холодного наконечника ОУ марки LPI 9710 для различных потребляемых мощностей

Рис.13. Тепловая нагрузка хладопровода LSF 9330, управляемого компрессором 9710, как функция температуры холодного наконечника при различных величинах электрической потребляемой мощности.

Следует указать, что современные ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом имеют увеличенные габариты, не позволяющие пока использовать их в ИКС 3- го поколения. Нужно также отметить, что пока всё еще мал к.п.д. ОИТ, особенно при высокой температуре окружающей среды и низкой рабочей температуре охлаждения приемника излучения. Кроме того, требуется очень тщательное согласование существующих типов дьюаров и конструкции ОИТ, т.е. подгонка ОИТ под существующие зазоры дьюара по диаметру и длине.

Преобразователи ИК сигналов в видимые

Задача преобразования ИК изображений в видимые с помощью малогабаритных полупроводниковых устройств становится все более актуальной для многих практических применений.

Корпорация Sirica (Израиль) разработала пленочный преобразователь длинноволнового ИК-излучения в видимое (или ближневолновое ИК), позволяющий создать дешевый высококачественный приемник, не требующий охлаждения и размещения в вакуумированном корпусе [59].

Корпорация разрабатывает интегрированную конструкцию, объединяющую такие элементы приемника как преобразователь в виде пленки, источник накачки, дихроичный фильтр и кремниевый датчик изображения на КМОП-структуре. Преобразователь состоит из кластера очень малых частиц кремния (мезоскопического размера), которые являются центрами поглощения длинноволнового ИК-излучения; кластера малых кремниевых частиц - центров излучения в видимом и ближневолновом ИК-диапазоне и связывающей эти кластеры матрицы, изготовленной из аморфного кремниевого компаунда, создающего свободные носители для связи кластеров.

Процесс преобразования излучения в такой структуре в такой структуре можно разбить на несколько этапов:

1. Источник накачки, создающий излучение в видимом или ближневолновом ИК-диапазоне, формирует устойчивое неравновесное распределение свободных носителей внутри кремниевых кластеров, которое характеризуется узким высокоэнергетическим концом спектра, т.е. низкой эффективной температурой, что позволяет работать без охлаждения. Средняя кинетическая энергия свободных носителей больше, чем тепловая энергия, а разность между средней энергией свободных носителей и высотой естественного барьера между кремниевыми кластерами и материалом матрицы становится барьером для ИК-фотоэмиссии.

2. Фотоны ИК-излучения, падающие на пленочный преобразователь, поглощаются свободными носителями в мезоскопическом кремниевом кластере, стимулируя эмиссию носителей через барьер в материале матрицы. Закон поглощения ИК-излучения возбужденными свободными носителями близок к квадратичной зависимости от длины волны излучения.

3. Свободные носители в материале матрицы затем рекомбинируют во втором кремниевом кластере, создавая фотоны видимого/ближневолнового ИК излучения. Последнее может приниматься обычными датчиками изображения на КМОП-структурах.

В соответствии с этим процессом основными узлами преобразователя являются:

1. преобразующий слой; 2. источник накачки; 3. оптическая схема связи входного слоя и датчика изображения; фильтр, отсекающий излучение источника накачки; 5. датчик изображения. Общий коэффициент преобразователя равен произведению коэффициентов преобразования этих узлов. фотоприемник квантоворазмерный матричный охлаждающий

Источник накачки выбирается таким, чтобы создавать требуемый для эффективного преобразования длинноволнового ИК-излучения в видимое или ближневолновое ИК поток фотонов и обеспечить однородность его распределения по площади слоев преобразователя. Неоднородность этого распределения должна быть скорректирована с помощью соответствующего алгоритма.

В отличие от обычного кремния, который очень слабо излучает, кремниевые нанокристаллы малого размера являются хорошими источниками видимого излучения даже при комнатной температуре. Изменяя размеры нанокристаллов, можно управлять светоотдачей и длиной волны излучения. Из-за редукции размеров ширина разрешенной зоны нанокластера увеличивается. Поэтому необходим сдвиг излучения накачки в голубую часть спектра. Изменения в структуре запрещенной зоны вызывают рост вероятности рекомбинации носителей в кремниевом нанокластере и, следовательно, увеличение эффективности люминесценции.

При надлежащем подборе характеристик источника накачки шумы элементов преобразователя становятся пренебрежимо малыми, и отношение сигнал-шум на выходе преобразователя определяется только радиационным шумом фона.

Отношение сигнал-шум при комнатной температуре ограничивается радиационным шумом фона. Этот шум после первичного преобразования может вызвать заметный дробовый шум в пикселах датчика изображения. Так как сигнал пропорционален коэффициенту преобразования, дробовый шум пропорционален его корню квадратному, а отношение сигнал-шум на выходе преобразователя растет с увеличением этого коэффициента.

В [59] описывается технология создания нанокластеров заданного размера и требуемой плотности. Предполагается, что формат КМОП-ФПУ составит 320х240 пикселов размером 25 мкм. Для этого ФПУ необходима высокая квантовая эффективность, возможность перестраивать схему считывания, высокая кадровая частота. Всемb этим свойствами обладают современные КМОП-структуры.

Ожидается, что при значениях коэффициентов преобразования порядка 10-4 можно будет обеспечить величину ЭШРТ, аналогичную ЭШРТ неохлаждаемых микроболометров, т.е. порядка 50 мК при частоте кадров 30 Гц.

Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ

Неохлаждаемые ФПУ на базе микроболометров продолжают заметно совершенствоваться в последнее десятилетие [2, 3, 60, 63 и др.]. В ИКС 3-го поколения они используются либо в отдельном спектральном канале - обычно в длинноволновой ИК-области, либо обеспечивают работу в двух сравнительно узких полосах спектра, находящихся внутри длинноволнового ИК-диапазона (8…14 мкм). Выделение этих узких полос осуществляется с помощью оптических фильтров.

Продолжающееся уменьшение размеров пикселов микроболометров привело к увеличению формата матриц и повышению быстродействия ИКС при сохранении высокой чувствительности. В США по программам, финансируемым Агенством по перспективным оборонным исследованиям DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) и Директоратом по ночному видению и электронным датчикам NVESD (Night Vision and Electronic Sensors Directorate), разрабатываются микроболометрические матрицы форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с размерами пикселов 17 мкм, с преобразованием «аналог-цифра» внутри чипа ФПУ, значительно увеличенным динамическим диапазоном и заметным уменьшением тепловой постоянной времени за счет уменьшения толщины ФПУ.

Уменьшение размеров пикселов помимо увеличения разрешающей способности позволяет уменьшить размеры и массу всей системы, а также дает возможность изготавливать крупноформатные матрицы без нарушения эксплуатационных размеров фотолитографических систем, используемых при изготовлении матриц.

За счет уменьшения размеров ФПУ такие матрицы весьма перспективны для ИКС стрелкового вооружения, нашлемных систем, а также беспилотных летательных аппаратов.

Сегодня крупноформатные микроболометрические ФПУ с размером пикселов менее 25 мкм и ЭШРТ менее 30…50 мК производятся рядом компаний. Так, в [60] описано ФПУ формата 384х288 с размером пиксела 35 мкм и ЭШРТ порядка 30 мК (при диафрагменном числе К=1, температуре фона Тф=300 К, частоте кадров fк=60 Гц и постоянной времени фи=7,7 мс). В таком же корпусе изготавливаются микроболометры формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм, имеющие примерно ту же ЭШРТ. Неоднородность сопротивлений отдельных пикселов не превышает 2,2% (без применения схемы коррекции неоднородности).

Компания Raytheon Vision Systems (RVS) сообщила о разработке микроболометров SB-246 формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм и площадью чувствительного слоя пиксела 17 х 17 мкм, а также матриц SB-400 формата 640 х 512 с периодом пикселов 17 мкм [61]. У последних ЭШРТ не превышала 50 мК при диафрагменном числе К=1 и частоте кадров 30 Гц. Переход к ФПУ с размером пикселов вдвое меньшим, чем в ранее выпускавшихся матрицах, позволяет уменьшить диаметр входного зрачка и фокусное расстояние объектива ИКС в два раза при сохранении прежнего разрешения. При этом примерно в 8 раз уменьшается общий объем оптической системы ИКС. Компания активно работает над созданием «атермализованных» микроболометрических ФПУ, т.е. матриц без термостабилизации, в которых осуществляется динамическая цифровая коррекция в цепи питания каждого пиксела.

Продолжаются разработки, направленные на создание неохлаждаемых приемников с пороговыми значениями их параметров. Уменьшение размеров пикселов микроболометров приближается к своему пределу. Почти все перспективные разработки тепловизионных систем с неохлаждаемыми приемниками, ведущихся компаниями BAE Systems, Vectronix, DRS, Raytheon Vision Systems, Ulis, L-3 Infrared Products, FLIR Systems осуществляются на базе микроболометров с размерами пикселов 17 мкм [6]. Форматы уже разработанных или разрабатываемых ФПУ равны 640 х 480 и 1024 х 768, а ЭШРТ составляет 45 мК или несколько менее. В настоящее время Директорат ночного видения и электронных датчиков Армии США (NVESD) финансирует исследования и разработки, имеющие целью довести размеры пикселов микроболометров до 12 мкм. Ожидается, что две компании будут способны создать микроболометрические матрицы формата 1920х1080 со сверхмалыми пикселами [6].

Фирма L-3 Communications Infrared Products (L-3IP) продолжает разработку микроболометров на базе б-Si/б -SiGe форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с размерами пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 50 мК в спектральном диапазоне 8…12 мкм и тепловой постоянной времени около 10 мс [63]. Схема элементарной ячейки мультиплексора, используемая в этих матрицах, сочетает в себе вычитание внутрипиксельного тока смещения и переключаемый емкостной фильтр-интегрирующий усилитель. При этом эквивалентная шуму разность температур (ЭШРТ) не зависит от частоты кадров, что очень важно для ИКС, предназначенных для обнаружения быстро движущихся объектов или установленных на подвижных основаниях. Последние разработки L-3IP обеспечивают работу в диапазоне окружающих температур от -40о до +60оС без использования активной тепловой стабилизации. В матрице, работающей с частотой кадров 25 Гц, используются два аналоговых выхода. Высока её однородность - отношение среднего квадратического отклонения чувствительности отдельных пикселов к их среднему значению не превышает 0,017; выход годных пикселов превышает 99,99% [62].

Компания ВАЕ Systems сообщила о разработке микроболометрической матрицы на основе окиси ванадия VOх формата 640х480 с шагом пикселов 17 мкм. В диапазоне 8…12 мкм получены значения ЭШРТ менее 100 мК при времени накопления зарядов tн = 5 мс. При tн = 10…15 мс (частоте кадров 30 Гц) ЭШРТ уменьшается до 50 мК для диафрагменного числа объектива порядка К=1,0…1, Зависимость ЭШРТ от tн имеет вид 1/ tн -0,855.

Компания CEA-LETI при поддержки фирмы ULIS в 2009 году создала микроболометр формата 640 х 480 с шагом пикселов 25 мкм, а также продолжает разрабатывать матрицу формата 1024 х 768 на базе аморфного кремния с периодом пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 40 мК, динамическим диапазоном температур порядка 110…120оК.

В [64] описываются ФПУ на основе КНД-диодов (кремний на диэлектрике), работающие без внешнего охлаждения. В отличие от широко используемых схем на микроболометрах в таких ФПУ в качестве датчиков температуры используются p-n-переходы в слое кремния на диэлектрике. Применение хорошо освоенной технологии кремниевых интегральных схем обеспечивает очень высокую однородность матриц и низкий уровень шума.

При падении излучения на пикселы матрицы КНД-диодов происходит изменение их температуры, которое приводит к прямому падению напряжения на цепочке последовательно включенных диодов. Это напряжение усиливается и интегрируется (рис.14). Из-за изменения значения падения напряжения на цепочке последовательно включенных диодов изменяется постоянная составляющая выходных сигналов.

Рис. 1 Принципиальная схема неохлаждаемого матричного ФПУ на КНД-диодах: ВСД - вертикальный сдвиговый регистр, ГСД - горизонтальный сдвиговый регистр, КФ - кристалл ФПУ, ФП - фотоприемный пиксел на КНД-диодах, ВШ - вертикальная шина, ГШ - горизонтальная шина, ВХ - схема выборки и хранения, ДИ - дифференциальный интегратор, ХГШ - «холостая» горизонтальная шина, ОП - опорный пиксел, ОУ - операционный усилитель, ФНЧ - фильтр нижних частот

В традиционных схемах считывания с интеграторами, управляемыми затворами, имеет место падение напряжения вдоль горизонтальных шин. Поэтому при увеличении коэффициента усиления интегратора для минимизации влияния шумов последующих каскадов из-за этого падения может возникнуть насыщение выходного сигнала матрицы. В схеме с КНД-диодами используются дифференциальные интеграторы и «холостая» шина, подключенная к неинвертирующим входам интеграторов. Холостая шина питается от отдельного источника напряжения. Падение напряжение вдоль нее такое же, что и у основной шины. Дифференциальные усилители интеграторов позволяют компенсировать эффект смещения постоянной составляющей выходных сигналов ФПУ при считывании вдоль строк. Благодаря этому возможно увеличить усиление интеграторов, что позволяет снизить влияние шумов последующих каскадов.

Для отслеживания окружающей температуры предназначены «опорные» пикселы, не имеющие тепловой изоляции и сформированные в виде столбца справа от основных пикселов. Выходной сигнал опорных пикселов зависит только от окружающей температуры, тогда как сигнал с основных пикселов зависит как от уровня их облученности, так и от окружающей температуры. Создаваемый опорными пикселами уровень постоянной составляющей сигналов, снимаемых с фоточувствительных пикселов ФПУ, выделяется с помощью дополнительной схемы выборки-хранения, вход которой подключен к мультиплексированному выходу матрицы. Выборка дополнительной схемы производится по синхроимпульсу, соответствующему моменту опроса столбца опорных пикселов. Сигнал выборки поступает на один из входов дополнительного операционного усилителя (ОУ), на второй вход которого подается постоянное напряжение. Выход ОУ через каскады, находящиеся вне кристалла ФПУ (фильтр нижних частот ФНЧ, буферный усилитель, второй ФНЧ), подключен к холостой шине и ко входам дифференциальных интеграторов. Благодаря этому образуется цепь обратной связи, позволяющая поддерживать стабильный уровень постоянной составляющей выходного сигнала независимо от изменений окружающей температуры.

Испытания матриц формата 320 х 240 с шагом 25 мкм без тепловой изоляции опорных пикселов показали их хорошую однородность без применения сложных схем коррекции. Изменение постоянной составляющей сигнала не превосходило 920 мВ в температурном диапазоне от -10о до 50оС. При использовании опорных пикселов с тепловой изоляцией, закрытых для внешнего излучения, нестабильность уровня постоянной составляющей выходного сигнала оказалась менее 80 мВ. Значение ЭШРТ при относительном отверстии 1:1 объектива, использовавшегося при испытаниях, и частоте кадров 60 Гц составило 32 мК.

В последние годы появились сообщения о создании высокочувствительных фотоприемников на основе полупроводниковых полимерных структур (полимерных фотоприемников) и других тонкопленочных структур, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 0,3…1,45 мкм [4]. Удельная обнаружительная способность этих приемников может достигать 1013 Вт-1Гц1/2см в УФ-диапазоне и более 1012 Вт-1Гц1/2см в диапазоне 1,15…1,45 мкм, а линейный динамический диапазон чувствительности превышает 100 дБ.

Оптическое считывание - один из путей совершенствования неохлаждаемых приемников излучения

Известные достоинства неохлаждаемых тепловых многоэлементных приемников излучения (МПИ) - микроболометров сопровождаются рядом недостатков, ограничивающих круг применений этих приемников. К числу последних относится наличие теплового шума Джонсона, избыточного токового 1/f-шума, а также возникновение джоулева нагрева чувствительных элементов, проявляющегося в появлении тока смещения измерительной схемы [4]. Кроме того, стремление повысить геометрическое и энергетическое (температурное) разрешение ИКС, использующих неохлаждаемые приемники излучения, повысить их пороговую чувствительность и приблизить ее значения к величинам, характеризующим энергетическое разрешение фотонных ФПУ, уменьшить их размеры, массу и потребляемую мощность, увеличить быстродействие, наконец, снизить их стоимость стимулирует интерес к системам визуализации ИК-изображений, в которых применяются оптические методы считывания вместо обычных для микроболометров схем считывания и накопления зарядов, возникающих в отдельных пикселах МПИ.

Представляет интерес схема, основанная на зависимости показателя преломления чувствительного элемента - пиксела МПИ от его температуры (рис.15). Описание механизма работы такого приемника с электрически управляемым оптическим считыванием приводится в [65]. Чувствительным элементом приемника является сегнетоэлектрический кристалл, в котором при приложении электрического поля проявляется эффект двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления зависит от температуры пиксела, которая определяется облученностью попадающей на него части изображения просматриваемой сцены. Помещая пиксел в ход поляризованного излучения лазера и регистрируя с помощью анализатора и помещенного за ним приемника лазерного излучения мощность сигнала на выходе такой схемы считывания, можно контролировать изменения облученности в изображении сцены.

Рис.15. Устройство считывания с электрооптическим термочувствительным кристаллом

В схеме считывания выходная мощность Wвых падающего на приемник поляризованного лазерного излучения определяется как

,

где Wвх - поток, создаваемый лазером на входе схемы считывания; ф - коэффициент пропускания системы считывания; ц - разность фаз, изменяющаяся при изменении температуры кристалла на ДТ, которая может быть представлена как:

,

где d - длина кристалла в направлении распространения считывающего излучения,

л - длина волны считывающего излучения,

ne и nо - показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волны считывающего излучения, соответственно.

В оптическую схему входят также компенсатор фазы для калибровки смещения, возникающего из-за сдвига фазы, вызванного различными факторами, и анализатор поляризованного излучения.

Изменения Wвых могут наблюдаться в видимом диапазоне с помощью обычного фотонного приемника лазерного излучения, работающего без охлаждения, например ПЗС.

В качестве материала сегнетоэлектрического кристалла может быть выбран танталато-литиевый ниобат калия (KLTN), для которого при величине напряженности Е электрического поля, приложенного к кристаллу, равной 3•103 В/см, двулучепреломление Дn= ne - nо = 6•10-3. Это значение приблизительно на два порядка больше Дn такого известного электрооптического материала как LiNbO3. При длине чувствительного кристалла d=50 мкм, что близко к размерам пикселов МПИ, мощность Wвых при диапазоне изменений ДТ в 1К изменяется гораздо заметнее, чем сопротивление болометров, которое при ДТ=1К изменяется на несколько процентов.

Сегнетоэлектрические кристаллы могут быть выращены в виде тонких пленок на кремниевой подложке. На поверхность кристалла наносится тонкий поглощающий обнаруживаемое излучение слой. (В [65] предлагается на кристалл KLTN наносить слой SiN.) В отличие от резистивных микроболометров не требуется выполнять этот слой из изоляционного материала. При электрически проводящем слое его поглощающая способность максимизируется, а теплоемкость минимизируется.

Схема работы столбца (строки) чувствительных элементов приведена на рис.16. Считывающий луч проходит через столбец элементов, к которым поочередно прикладывается напряжение.

Рис.16. Схема работы столбца (строки) неохлаждаемых электрооптических термочувствительных элементов ФПУ, расположенных как периодически сегментированный волновод с электрическим переключением каждого приемника

Схема работы двумерного ФПУ с лазерным считыванием приведена на рис.17. Лазер располагается вне вакуумированного корпуса ФПУ. Его излучение с помощью оптического волокна поступает на вход многомодового объемного резонатора в интегральном исполнении, который распределяет входной поток на N выходов. С этих выходов с помощью изогнутых оптических волокон (волноводов) потоки подводятся к N столбцам элементов ФПУ. Параллельные пучки лучей проходят через М строк ФПУ и поступают на одномерную матрицу ПЗС, считывающую выходные сигналы Wвых, т.е. измеряющую температуры отдельных пикселов ФПУ формата МхN и выдающую стандартный видеосигнал. Управляющий интерфейс (УИ) является, по существу, декодером по вертикальной оси ФПУ и используется для смещения (подачи напряжения) одновременно на одну из строк ФПУ. Выбирая достаточно большую длительность переключающего импульса, можно усреднять шумы на выходе, возникающие в процессе считывания. Поскольку кристаллы (пикселы) образуют емкостную нагрузку из-за их очень большого сопротивления, рассеяние тепла, образующегося в схеме при считывании, производится в УИ, а не внутри ФПУ, что заметно снижает мощность, потребляемую термоэлектрическим охладителем, которым снабжается ФПУ. (На рис.17 охладитель не показан.)

Рис.17. Схема работы двумерного ФПУ с лазерным считыванием

Основными видами шума рассматриваемого ФПУ являются тепловой шум, вызванный флуктуациями температуры приемника и шум схемы оптического считывания. Величина эквивалентной шуму разности температур, определяемая первой из этих составляющих, может быть рассчитана по формуле [1, 2]:

,

где К - диафрагменное число объектива, строящего изображение на ФПУ,

Т - температура элемента ФПУ, k - постоянная Больцмана, G - коэффициент теплопроводности, Дf - ширина полосы пропускания частот, ф0 - коэффициент пропускания оптической системы (объектива), в - коэффициент заполнения пикселами чувствительного слоя приемника, Апи - площадь чувствительного элемента МПИ, б - коэффициент поглощения излучения чувствительным слоем МПИ, ДФ/ДТ - изменение потока, испускаемого черным телом - аналогом наблюдаемого излучателя, на единицу площади при температуре Т внутри спектрального рабочего диапазона Дл.

При значениях ожидаемых параметров системы на базе KLTN, принятых в [65], а именно:

G=1,6•10-7 Вт/К и 5,5•10-8 Вт/К для пикселов с шагом 50 мкм и 25 мкм, соответственно, что соответствует тепловой постоянной времени 10 мс в общих случаях;

коэффициентах заполнения в=0,96 для пикселов с шагом 50 мкм и 0,92 для пикселов с шагом 25 мкм; б=0,8; ф0=0,9; Дf=25 Гц;

значения ДФ/ДТ, вычисленного для спектрального диапазона 8…12 мкм и температуры 293 К, было получено температурное разрешение (ЭШРТ) ДТп=5 мК для шага пикселов 50 мкм и ДТп=12 мК для шага пикселов 25 мкм.

Эти значения ДТп могут быть улучшены за счет снижения теплоемкости пикселов путем использования поглощающего слоя с лучшей проводимостью, например Au вместо SiN, что увеличит б с одновременным уменьшением теплоемкости. Кроме того можно уменьшить поперечное сечение волноводов, связывающих лазер с пикселами ФПУ.

Шумы схемы оптического считывания могут появиться из-за флуктуаций интенсивности считывающего лазерного пучка лучей, а также из-за шума в ПЗС считывания, который весьма невелик.

При сильном электрическом поле полный диапазон выходных сигналов соответствует малому диапазону температур пикселов Т (порядка 1 К). При значительном диапазоне Т возможно превышение фазового сдвига ц величины р, т.е. возникновение фазовой неопределенности, приводящей к неоднозначности значений выходного сигнала относительно Т. Для исключения такого положения возможно реализовать дополнительное считывание с низкой разрешающей температурной способностью, которое выполняется под воздействием небольшого электрического поля. Это позволяет перекрыть считыванием большой интервал температур пикселов с однозначным их соответствием выходным сигналам. Связав результаты основного и дополнительного считывания, можно избавиться от фазовой неопределенности.

Стремление избавится от указанных в начале этого раздела недостатков микроболометрических ФПУ, а также использовать для считывания сигналов с пикселов ФПУ кремниевые интегральные схемы привело разработчиков компании Aegis Semiconductor Inc. к предложению использовать термооптический эффект в полупроводниках вместо преимущественно используемых в настоящее время в микроболометрах терморезистивного или пироэлектрического эффектов [2]. В матричном микроболометрическом приемнике, описанном в [66], термочувствительные элементы преобразуют длинноволновое ИК-излучение в ближневолновое ИК-излучение.

В плоскости изображения, образованного в длинноволновой ИК-области, располагается матрица тонкопленочных перестраиваемых фильтров-резонаторов, настроенных на длины волн ближнего ИК-диапазона (рис.18). С помощью оптической схемы считывания сигналы (потоки), создаваемые источником излучения этой схемы (лазером) и прошедшие эти фильтры, принимаются стандартными фото-ПЗС или КМОП-фотоприемниками.

Перестраиваемые фильтры представляют собой эталоны Фабри-Перо, в которых резонансная полость выполняется из аморфного кремния с однородностью по толщине в пределах 2% на пластинах диаметром до 100 мм. Отражательные многослойные зеркала выполняются из аморфного кремния и нитридов кремния. Ширина полосы пропускания фильтров составляет 0,15 нм.

Изменение пиковой длины волны фильтров при изменении показателя преломления под воздействием меняющейся температуры, объясняемое уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника при увеличении температуры, для полости из аморфного кремния характеризуется высоким термооптическим коэффициентом dn/dT, равным 2,3•10-4/К при 300 К.

Коэффициент перестройки фильтра, определяемый как отношение смещения пиковой длины волны спектральной характеристики к изменению температуры, в системе, описанной в [66], в диапазоне температур 295…355 К составил 0,06 нм/К.

Основным элементом такой системы является матрица перестраиваемых фильтров-пикселов, размещаемых на теплоизоляционных опорах, с другой стороны которых имеется теплопроводная и прозрачная для ближневолнового ИК-излучения подложка (рис.19). Формируемое объективом изображение в длинноволновом ИК-диапазоне (входное) строится на матрице фильтров-пикселов. Из-за их нагрева происходит сдвиг пиковых длин волн фильтров. Система считывания направляет на фильтры-пикселы «считывающее» излучение ближневолнового ИК-диапазона с длиной волны, близкой к пиковым длинам волн спектральных характеристик фильтров-пикселов. Коэффициент пропускания фильтров зависит от их температур, поэтому на фотоприемной матрице (ПЗС или КМОП), принимающей «считывающее» излучение, формируется изображение, соответствующее нагреву фильтров-пикселов, т.е. входному изображению в длинноволновом ИК-диапазоне.

Рис.18. Спектральное пропускание фильтра, настраиваемого на разные длины волн

Коэффициент перестройки тем выше, чем уже спектр «считывающего» излучения и чем круче фронты спектральных характеристик этого излучения и пропускания фильтров-пикселов.

Рис.19. Схема работы единичного пиксела ФПУ, установленного на теплоизоляционной стойке, соединяющей его с прозрачной для ближневолнового ИК-излучения подложкой

Температурный коэффициент системы считывания, определяемый изменением коэффициента пропускания пиксела, приходящимся на один градус изменения температуры, составляет несколько десятков %/К, что гораздо выше температурных коэффициентов сопротивления материалов традиционных микроболометров (порядка 3 %/К для оксидов ванадия и 1,5 %/К для аморфного кремния).

Важно, что в такой схеме отсутствуют проводниковые соединения со схемой считывания, что снижает уровень шума и дает возможность увеличить коэффициент заполнения ФПУ. В пикселе приемника используется лишь одна опора, а не две ножки, как в терморезистивных микроболометрах, что позволяет получить коэффициент заполнения ФПУ более 90 %.

Спектр «считывающего» излучения можно перестраивать в соответствии с настройкой фильтров-пикселов в зависимости от окружающей температуры. Эти процессы происходят одновременно, что позволяет отказаться от устройства контроля за температурой окружающей среды без потери качества воспроизведения входного изображения. Как отмечается в [66], технология изготовления таких микроболометров существенно упрощается, по сравнению с технологией изготовления традиционных терморезистивных микроболометрических ФПУ. Она совместима с кремниевыми технологиями изготовления КМОП-интегральных схем. Процент годных пикселов достигает в некоторых образцах 99,9.

Устройство макетного образца системы, разработанного компанией Aegis Semiconductor Inc, показано на рис.20. Использовался объектив с диафрагменным числом К=0,86. Источником «считывающего» излучения был светодиод с фильтром ближневолнового ИК-излучения. Светоделитель, совмещающий длинноволновое и ближневолновое ИК-излучение, имел пропускание 92 % в области спектра 8…15 мкм и 100 % - отражение в ближнем ИК-диапазоне. Частота кадров равнялась 22 Гц. Для ФПУ формата 160х120 эквивалентная шуму разность температур ДТп составляла 280..550 мК. При этом отсутствовала какая-либо температурная стабилизация. Столь значительные значения ДТп авторы [66] объясняют несовершенством отдельных элементов макета (неоднородностью теплового отклика пикселов ФПУ, неоднородностью распределения шума в ПЗС/КМОП - матрицах системы считывания, несовершенством оптической системы, недостаточным качеством программно-обеспечиваемой пространственной фильтрацией изображения). Тем не менее авторы [66] весьма оптимистичны в оценке описанной системы для производства дешевых тепловизоров многих гражданских применений.

Рис.20. Устройство макетного образца тепловизионной камеры

В [67] описан принцип действия ОЭС визуализации ИК-изображений с оптической схемой считывания сигналов, разработанных корпорацией Agiltron (рис.21).

Рис.21. Схема работы системы визуализации ИК изображений

Объектив О строит ИК-изображение наблюдаемой сцены на входном слое микромодульного блока ММБ - многоэлементном матричном приемнике ИК-излучения, состоящем из большого числа пикселов, поглощающих излучение. На противоположной стороне каждого пиксела размещается зеркальный отражающий слой, облучаемый источником подсветки (ИП), например, как это указано в [67], светодиодом. При этом поглощательная способность составляла около 0,6. При использовании металлического поглощающего слоя и оптимальной толщины резонатора - промежутка между поглощающим и зеркальным слоями (2,4 мкм) поглощение излучения составило 97%, а при изменении этой толщины в пределах от 1,6 мкм до 3,2 мкм оно было не менее 90%. Каждый пиксел имеет две пары двухслойных (биметаллических) ножек (рис.22). Одна из ножек (консоль пиксела) в каждой паре изгибается в одну сторону при попадании «внешнего» ИК-излучения на пиксел, а вторая, точно такая же по форме и размерам, но с противоположным расположением слоев, связанная с первой ножкой через теплоизолятор, изгибается в обратную сторону, т.е. служит компенсатором изгиба пиксела из-за изменения температуры окружающей ФПУ среды.

Рис.22. Конструкция одного пиксела системы визуализации ИК изображений

В зависимости от локального нагрева, т.е. от энергии, поглощаемой пикселом, каждый пиксел поворачивается на некоторый угол ДИ, вызывающий изменение хода лучей, поступающих на пиксел от ИП. Источник подсветки направляет лучи через малоразмерную диафрагму Д1 на зеркальные поверхности пикселов через Фурье-объектив (ФО1), у которого в передней фокальной плоскости размещается Д1, а в задней фокальной плоскости - зеркальный слой ФПУ. Фурье-изображение Д1 в идеальном случае представляет собой яркое пятно. Отраженное излучение проходит через диафрагму Д2 и поступает на второй Фурье-объектив ФО2, осуществляющий в своей задней фокальной плоскости обратное Фурье-преобразование, т.е. восстанавливающий на чувствительном слое фотоприемного устройства ФПУ структуру ИК-изображения, созданного объективом О, но в видимом спектральном диапазоне.

Схема обработки сигналов, снимаемых с выхода ФПУ и преобразуемых на КМОП-структурах в видеосигнал, строится на стандартных элементах. Она включает в себя процессор цифровых сигналов, обеспечивающий оперативный контроль параметров ФПУ и ИП и управляемый с помощью постоянной и синхронной динамической памяти. В процессоре предусмотрен также алгоритм коррекции неоднородности ФПУ, реализуемый непосредственно перед выдачей видеосигнала.

В отличие от микроболометров, у которых чувствительность сильно зависит от температурного коэффициента материала пикселов, в таком ММБ чувствительность определяется геометрией конструкции. Наибольшее влияние на чувствительность оказывает длина ножки и суммарная толщина слоев ММБ. Для увеличения эффективной длины ножек использовалось их гофрирование, что повысило чувствительность ДИ/ДТ до 1 градус/Кельвин. Для негофрированных ножек эта чувствительность не превышала 0,2 градус/Кельвин.

«Развязка» чувствительного слоя ММБ и оптической схемы считывания позволит сочетать высокое геометрическое разрешение и высокую частоту кадров, обеспечиваемую хорошим быстродействием современных ФПУ на сравнительно дешевых КМОП-структурах, освоенных и массово выпускаемых промышленностью, что заметно снизит себестоимость изготовления подобных ИКС.

К настоящему времени корпорации Agiltron удалось заметно уменьшить габариты, массу и энергопотребление таких устройств и достичь таких их значений, которые близки к параметрам современных цифровых фотоаппаратов.

Достигнутое значение ЭШРТ составило 60 мК при диафрагменном числе объектива К=0,75, что эквивалентно 92 мК при К=1. Минимальная обнаруживаемая разность температур слабоконтрастных объектов составила 53 мК при К=0,75, что эквивалентно 82 мК при К=1. Частота кадров достигла 103 кадров в секунду.

Основные пути совершенствования подобных ИКС и достижения малых величин ЭШРТ заключаются, по мнению авторов [67],, в уменьшении дробового шума ФПУ, обеспечении высокой однородности многоэлементного зеркального слоя ММБ, повышении поглощательной способности выходного слоя ММБ.

Разделяя поступающее на вход ИК-излучение на два спектральных канала (в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах), удалось создать один из первых образцов ИКС с неохлаждаемым приемником излучения.

Библиография

1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2011.-568 с.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 200 - 480 с.

3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Логос, 2007. -192 с.

4. Тарасов В.В., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы 3-го поколения. - М.: Логос, 2011. - 242 с.

5. Infrared Imaging News, Vol.15, № 9, September 2009

6. Infrared Imaging News, Vol.16, №7, July 2010

7. Wick R.V. Revitalized militarily critical technologies program.- SPIE Proc., V.5798 (2005), P.234-243

8. Dirbas J., Mireles T., Davies A. et al. MANTIS-3: A low cost, light-weight, turreted spectral sensor. - SPIE Proc, V.5787 (2005), P. 9-16

9. Vizgaitis J. 3rd Generation FLIR demonstrator. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400U-1…10

10. Vizgaitis J., Miller J., Hall J., Berube D. Third generation infrared optics. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400S-1…10

11. Vizgaitis J. Dual f/number optics for 3rd generation FLIR systems. - SPIE Proc., V.5783 (2005), P.875-886

12. Smith J.G., Borek G.T. Etching of chalcogenide glass for IR microoptics. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400W-1…7

13. Snyder M.P., Visgaitis J.N. Optical design study for the 1-5 m spectral band. - SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729810-1…12

14. Zadravec D., Franks J.W., Rodgers K.A. et al. A multi-spectral optical system (1,55 мm and 8-12 мm) of GASIR. 1 Design and coating aspects.- SPIE Proc., V. 7298 (2009), P.72982L-1…9

15. Zhao J., DiFilippo V. Low cost molded optics for IR imaging.-SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72983J-1…8

16. Rahmlow T.D., Lazo-Wasem J.E. Dual-band antireflection coatings for the infrared. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400T-1…8

17. Hendrix K.D., Bergeron A., Favot D.L. High performance MWIR dual bandpass filter for thermal imaging.- SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72982K-1…12

18. Bjork C., Wan W. Mid-wave infrared (MWIR) panoramic sensor for various applications. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76600B-1…9

19. Nichols J.M., Waterman J.R. Performance characteristics of a submarine panoramic infrared sensor. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766005-1…9

20. Fontanella J.-C., Delacourt D., Klein Y. ARTEMIS: first naval staring IRST in service. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766006-1…11

21. Fisher J., Welch W.C. Survey and analysis of fore-optics for hyperspectral imaging systems. - SPIE Proc., V.6206 (2006), P.62062R-1…11

22. Mouroulis P. Compact infrared spectrometers. - SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729803-1…10

23. Morrison R., Stack R., Athale R. et al. An alternative approach to infrared optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601Y-1…11

24. Le Noc L., Tremblay B., Martel A. et al. 1280 x 960 pixel microscanned infrared imaging module. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766021-1…10

25. Singer M. Design of a cryogenic IR detector with integrated optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601Z-1…9

26. Cogburn G., Symmons A., Mertus L. Molding aspheric lenses for low-cjst production versus diamond turned lenses. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766020-1…6

27. Donval A., Fisher T., Blecher G., Oron M. Dynamic sunlight filter (DSF) - a passive way to increase the dynamic range in visible and SWIR cameras - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.7660024-1…8

28. Martyniuk P., Rogalski A. Comparison of performance of quantum dot and other types of infrared photodetectors. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.694004-1…10

29. Breiter R., Ihle T., Wendler J. et al. MCT IR detection modules with 15 mcm pitch for high reliability applications. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766039-1…11

Размещено на Allbest.ru