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 4.9. Оптическое считывание – один из путей совершенствования неохлаждаемых приемников излучения Wвх – поток, создаваемый лазером на входе схемы считывания; τ – коэффициент пропускания системы считывания; φ К – диафрагменное число объектива, строящего изображение на ФПУ, Т Т, вычисленного для спектрального диапазона 8…12 мкм и температуры 293 К, было получено температурное разрешение (ЭШРТ) ΔТ Т (порядка 1 К). При значительном диапазоне Т К=0,75, что эквивалентно 92 мК при К

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.

^

4.9. 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.4.15). 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.4.15. Устройство считывания с электрооптическим термочувствительным кристаллом


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


,

где ^ W_вх – поток, создаваемый лазером на входе схемы считывания; τ – коэффициент пропускания системы считывания; φ - разность фаз, изменяющаяся при изменении температуры кристалла на ΔТ, которая может быть представлена как:

,

где d – длина кристалла в направлении распространения считывающего излучения,

λ – длина волны считывающего излучения,

n_e и n_о – 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 W_вых 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 Δn= n_e – n_о = 6∙10^-3. Это значение приблизительно на два порядка больше Δn такого известного электрооптического материала как LiNbO₃. При длине чувствительного кристалла d=50 мкм, что близко к размерам пикселов МПИ, мощность W_вых при диапазоне изменений ΔТ в 1К изменяется гораздо заметнее, чем сопротивление болометров, которое при ΔТ=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.4.16. Считывающий луч проходит через столбец элементов, к которым поочередно прикладывается напряжение.





Рис.4.16. 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.4.17. 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 W_вых, 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.4.17 охладитель не показан.)




Рис.4.17. 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, Δf – ширина полосы пропускания частот, τ₀ – коэффициент пропускания оптической системы (объектива), β – коэффициент заполнения пикселами чувствительного слоя приемника, А_пи – площадь чувствительного элемента МПИ, α – коэффициент поглощения излучения чувствительным слоем МПИ, ΔФ/ΔТ – изменение потока, испускаемого черным телом – аналогом наблюдаемого излучателя, на единицу площади при температуре Т внутри спектрального рабочего диапазона Δλ.

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 β=0,96 для пикселов с шагом 50 мкм и 0,92 для пикселов с шагом 25 мкм;

α=0,8; τ₀=0,9; Δf=25 Гц;

значения ΔФ/Δ^ Т, вычисленного для спектрального диапазона 8…12 мкм и температуры 293 К, было получено температурное разрешение (ЭШРТ) ΔТ_п=5 мК для шага пикселов 50 мкм и ΔТ_п=12 мК для шага пикселов 25 мкм.

Эти значения ΔТ_п могут быть улучшены за счет снижения теплоемкости пикселов путем использования поглощающего слоя с лучшей проводимостью, например Au вместо SiN, что увеличит α 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 φ величины π, 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.4.18). 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.4.19). 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.4.18. 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.4.19. 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.4.20. 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 ΔТ_п составляла 280..550 мК. При этом отсутствовала какая-либо температурная стабилизация. Столь значительные значения ΔТ_п 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.4.20. Устройство макетного образца тепловизионной камеры


В [67] описан принцип действия ОЭС визуализации ИК-изображений с оптической схемой считывания сигналов, разработанных корпорацией Agiltron (рис.4.21).




Рис.4.21. 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.4.22). 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.4.22. Конструкция одного пиксела системы визуализации ИК изображений


В зависимости от локального нагрева, т.е. от энергии, поглощаемой пикселом, каждый пиксел поворачивается на некоторый угол ΔΘ, 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 ΔΘ/ΔТ 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.