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

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 4.7. Преобразователи ИК сигналов в видимые 4.8. Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ

Подобный материал:

• Учебное пособие Томск 2004 ббк, 2186.02kb.
• Программа дисциплины "современные проблемы науки", 33.09kb.
• 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
• Учебное пособие соответствует обучающей программе «Типичные проблемы при медико-социальном, 516.93kb.
• «Философия. Часть I. История философии», 1572.94kb.
• Методическое пособие по переводу сокращений и выражений, часто встречающихся в аэронавигационных, 5767.72kb.
• Методическое пособие для преподавателей по выполнению лабораторных работ, вопросы программированного, 905.89kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологи и социальной коммуникации, соответствует, 1593.29kb.
• Методические рекомендации 37 Библиография 40 Контрольные вопросы 41 Глава Субъектный, 78.23kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологии и социальной коммуникации, соответствует, 1653.9kb.

^

4.7. 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; 4. фильтр, отсекающий излучение источника накачки; 5. датчик изображения. Общий коэффициент преобразователя равен произведению коэффициентов преобразования этих узлов.

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.

^

4.8. 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 Т_ф=300 К, частоте кадров f_к=60 Гц и постоянной времени τ_и=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 α-Si/α -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 -40^о до +60^оС 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 VO_х формата 640х480 с шагом пикселов 17 мкм. В диапазоне 8…12 мкм получены значения ЭШРТ менее 100 мК при времени накопления зарядов t_н = 5 мс. При t_н = 10…15 мс (частоте кадров 30 Гц) ЭШРТ уменьшается до 50 мК для диафрагменного числа объектива порядка К=1,0…1,4. Зависимость ЭШРТ от t_н имеет вид 1/ t_н ^-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…120^оК.

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.4.14). Из-за изменения значения падения напряжения на цепочке последовательно включенных диодов изменяется постоянная составляющая выходных сигналов.



ДИ






Рис. 4.14. 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 -10^о до 50^оС. 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^-1Гц^1/2см в УФ-диапазоне и более 10¹² Вт^-1Гц^1/2см в диапазоне 1,15…1,45 мкм, а линейный динамический диапазон чувствительности превышает 100 дБ.