Geum.ru

Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


4.5. ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона
4.6. Перспективные охлаждающие устройства ФПУ [53-58]
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15
^

4.5. 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.

^

4.6. 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.

Ряд зарубежных фирм успешно разрабатывает новое поколение ОУ с улучшенными параметрами и характеристиками – устройства с изогнутыми подшипниками и импульсно-трубочными хладопроводами (рис.4.9 и 4.10). 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.




Рис.4.9. Конструкция ОУ с подвижным магнитом и изогнутыми подшипниками


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.4.10. 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.4.10). Зависимость тепловой нагрузки от потребляемой мощности для различных значений окружающей температуры приведена на рис.4.11 [58], а на рис. 4.12 и 4.13 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.


Потребляемая мощность, Вт


Рис.4.11. Зависимость тепловой нагрузки импульсно-трубчатого охладителя SL400 от потребляемой мощности при температуре охлаждения 77 К для различных значений окружающей температуры


Вт

Вт

Вт

Вт

Температура холодного наконечника, K


Рис.4.12. Зависимость тепловой нагрузки от требуемой температуры холодного наконечника ОУ марки LPI 9710 для различных потребляемых мощностей



Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

Температура холодного наконечника, K


Рис.4.13. Тепловая нагрузка хладопровода LSF 9330, управляемого компрессором 9710, как функция температуры холодного наконечника при различных величинах электрической потребляемой мощности.


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.

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.