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


6. Адаптивные ИКС 3-го поколения
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15
^

6. Адаптивные ИКС 3-го поколения



Как известно, одним из путей совершенствования ИКС является адаптация их спектрального и пространственного разрешения к условиям работы системы.

Перспективной представляется разработка адаптивного двухдиапазонного ФПУ, описанного в [74]. Устройство состоит из матрицы элементарных перестраиваемых спектральных фильтров, имеющих размер порядка одного или нескольких фотоприемных пикселов. Матрица фильтров соединена с матричным двухдиапазонным МПИ. Управляемые микромодульным блоком (ММБ) фильтры позволяют выделить очень быстро узкие полосы в диапазоне 8…12 мкм и широкий диапазон 3…5 мкм. Каждый элемент матрицы фильтров может перестраиваться независимо от других.


в






ММБ


Рис.6.1. Схематическое изображение гибридной конструкции адаптивного двухдиапазонного матричного МПИ: а – сечение одного элемента матрицы фильтров,

б – вид сверху (по ходу излучения) на нижнее зеркало оптического резонатора,

в – сечение интегральной сборки ММБ и МПИ (стрелками показан размер одного пиксела); 1 – общая толстая кремниевая подложка; 2 – противоотражающее покрытие;

3 – воздушный промежуток; 4 – зеркала; 5 – термокомпрессионные прокладки; 6 – тонкая кремниевая подложка; 7 – уголковые кремниевые пружины



Элемент матрицы фильтров представляет собой миниатюрный эталон Фабри-Перо с изменяемым воздушным промежутком 3 между зеркалами 4, образующими оптический Изменение воздушного промежутка (глубины резонатора d) ведет к перестройке спектральной характеристики пропускания фильтра. Пик полосы поглощения λм, определяемый резонатором, можно рассчитать по формуле


,


где n – показатель преломления среды, заполняющей резонатор (n = 1 для вакуума), k – порядок резонатора.

Для d ≈ 2,5 мкм при k = 0 λм= 10 мкм, что соответствует максимуму излучения многих объектов в длинноволновом ИК-диапазоне. Для k = 1 λм= 3,33 мкм, что показывает возможность использования такой конструкции для приема излучения в средневолновом ИК-диапазоне.

Кремниевая подложка 1 с противоотражающим покрытием 2 является общей для всех фильтров матрицы. На нижнюю ее поверхность наносятся неподвижные зеркала эталонов Фабри-Перо. Подвижные зеркала эталонов наносятся на тонкие (толщиной 20 мкм) кремниевые подложки 6 с противоотражающим покрытием 2, соединяемые с помощью термокомпрессионных золотых прокладок 5 с общей толстой подложкой 1. Конструкция подвижного зеркала должна обеспечивать его плоскостность и параллельность неподвижному зеркалу при возникновении напряжений в его подложке из-за деформаций многослойного отражающего покрытия. Для этого используются длинные уголковые кремниевые пружины 7, расположенные по периферии подвижного зеркала по его углам.

Такая конструкция позволяет также увеличить плотность размещения элементов в матрице фильтров. Расчеты показали, что для получения узких полос в диапазоне 8…12 мкм и хорошего пропускания в диапазоне 3…5 мкм допуск на плоскостность и параллельность не должен превышать 35 нм. Конструкция ММБ рассчитана так, чтобы обеспечить этот допуск как при криогенных, так и при комнатных температурах.

К подвижной и неподвижной частям эталона прикладывается постоянное напряжение, меняя которое, можно изменять величину зазора между зеркалами и тем самым длину волны излучения, проходящего через резонатор. Для управления каждым элементом в отдельности вводится специальный мультиплексор [75].

В сочетании с описанной конструкцией используется двухдиапазонное ФПУ со схемой одновременного и независимого съема сигналов в каждом рабочем спектральном диапазоне. Гибридизация ММБ и ФПУ минимизирует параллакс и перекрестные связи между двумя спектральными каналами.

В отличие от некоторых известных систем, в которых перестраиваемый фильтр – эталон Фабри-Перо помещается перед объективом, чтобы избежать изменений спектральной характеристики фильтра при больших углах падения лучей, и в которых меняется спектральный состав излучения всей наблюдаемой сцены, в предлагаемой конструкции такое изменение возможно вести для отдельных пикселов или их групп, т.е. отдельных участков сцены. Это позволяет создать систему, адаптивную не только по отношению к спектру излучения наблюдаемой сцены, но и к ее пространственно-временной структуре.

В устройстве, описанном в [74, 75], в качестве зеркал используются тонкие пленки Ge и ZnS. Поскольку оптический резонатор предназначен для выделения полос в диапазоне 8…12 мкм, зеркала должны иметь достаточный коэффициент отражения в этом участке спектра и обладать хорошим пропусканием в диапазоне 3…5 мкм. Исходя из этого подбирались материалы и показатели преломления зеркальных пленок. Аналогично подбирались материалы и толщины противоотражательных покрытий.





Рис. 6.2. Спектральное пропускание одного элемента матрицы фильтров (расчетные значения) [74]


В расчетах учитывались параметры зеркал и противоотражательных покрытий, также интерференция в тонкой кремниевой подложке подвижного зеркала и величина угла падения лучей на плоское зеркало (апертура принималась равной f′/6,5). Каждая из кривых на рис.6.2 (сплошная, пунктирная, точечная и т.д.) соответствует различным длинам резонатора (толщинам воздушного промежутка между зеркалами), изменявшимся от 3,1 до 5,6 мкм. Промежуточные (между 5 и 8 мкм ) полосы могут быть устранены с помощью режекторного фильтра.

Можно отметить, что меньшее пропускание в области 8…12 мкм, по сравнению с областью 3…5 мкм, может оказаться полезным при работе ИКС с таким ФПУ по объектам и сценам, имеющим температуру близкую к 300 К, поскольку снизит требования к емкости ячеек схемы накопления и считывания зарядов, собираемых в диапазоне 8…12 мкм.

В [75] описываются экспериментальные исследования образца такого устройства, созданного на базе КРТ-ФПУ формата 8 х 24 пикселов с размерами от 300 х 300 до 500 х 500 мкм и зеркалами ММБ размерами от 200 х 200 до 400 х 400 мкм. Соединение элементов ММБ с пикселами ФПУ осуществлялось с помощью индиевых столбиков. Время установки перестраиваемого фильтра на новую спектральную полосу составляло около 1 мс. Образец помещался в корпус, заполненный неоном. Вся конструкция находилась внутри дьюара, обеспечивавшего рабочую температуру 80 К.

Перестройка спектральных характеристик исследовалась в различных участках спектра – от 8 до 11 мкм. Измерялось пропускание ММБ-фильтра при настройке его на различные длины волн. На рис.7.3 приведены примеры полученных зависимостей, причем сплошные кривые соответствуют начальной длине волны λ настройки фильтра 11,7 мкм, а пукнктирные – меньшей начальной, равной 9,5 мкм [75]. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность получения узких полос пропускания ММБ-фильтра порядка 100 нм в спектральном диапазоне 8…11 мкм.



0.1

0

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


Длина волны , мкм


Рис.6.3. Спектральные характеристики перестраиваемого ММБ – фильтра, полученные экспериментально [75]


Вызывает большой интерес сообщение компании Nova Research, Inc. о разработке процессора, изменяющего пространственное разрешение («остроту зрения») МПИ в реальном масштабе времени [76]. Процессор позволяет изменять пространственную компоновку совокупностей пикселов программным способом, т.е. изменять пространственную конфигурацию элементов изображения, распределяя накапливаемые заряды (фотоны) по заданному закону. Таким образом можно обеспечить более высокое пространственное разрешение в заданной зоне поля обзора, т.е. имитировать область наилучшего зрения (фовеа, желтая ямка) глаза человека. Система с таким процессором может работать при высокой частоте кадров (в несколько кГц) и высоком разрешении в центре поля и в то же самое время перекрывать все поля обзора, не увеличивая для этого скорость считывания данных об облученности элементов всего кадра. Перепрограммирование может осуществляться на кадровой частоте. Такая система может обеспечить обнаружение целей с использованием двумерной корреляции, осуществляемой в реальном масштабе времени.


Контрольные вопросы

    1. Нарисуйте структурные схемы ИКС 1-го, 2-го и 3-го поколений.
    2. Назовите наиболее известные области применения инфракрасных приборов и систем (с примерами).
    3. Перечислите основные проблемы и тенденции развития современных ИКС.
    4. Перечислите основные критерии качества ИКС.
    5. Перечислите критерии пространственного разрешения ИКС.
    6. Перечислите критерии энергетического разрешения ИКС.
    7. Какова общая методология создания современного оптико-электронного прибора? Назовите ее основные этапы.
    8. Назовите новые оптические материалы, применяемые в ИКС.
    9. Нарисуйте структурные схемы ИКС с матричными приемниками.
    10. Дайте сравнительную характеристику охлаждаемых и неохлаждаемых ФПУ.
    11. Приведите примеры использования ИКС в космических исследованиях.
    12. Приведите примеры использования инфракрасных приборов при дистанционном зондировании Земли и планет
    13. Каковы перспективы развития дифракционной и гибридной оптики?
    14. Каковы перспективы развития панорамной оптики?
    15. Дайте сравнительную характеристику различных типов современных и перспективных многоэлементных приемников излучения.
    16. Каковы перспективы развития матричных фотоприемных устройств?
    17. Приведите примеры перспективных ИКС 3-го поколения.
    18. Каковы выводы из сделанного Вами перевода (или реферата по переведенной статье).