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 |
Содержание4. Фотоприемные матричные устройства 4.1. Фотоприемники на тройных соединениях КРТ[29-34] Lw harpter Lw merlin Condor ii Condor iii |
- 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. Фотоприемные матричные устройства
Хотя, как уже отмечалось выше, применение двух- и многодиапазонных ФПУ позволяет упростить конструкцию системы, заметно уменьшить ее габариты, массу и энергопотребление, а также увеличить быстродействие, в больщинстве известных ИКС -3 ближневолновый и коротковолновый ИК-диапазоны выделяются в отдельный спектральный канал. В настоящее время в этом канале часто испольэуются матричные ФПУ на базе InGaSb и InGaAs. Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.
Наиболее перспективными матричными ФПУ для ИКС 3-го поколения, работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, представляются приемники на базе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур» (КРТ-ФПУ), фотоприемники на квантовых ямах (ФКЯ-ФПУ), а также появившиеся сравнительно недавно ФПУ на квантовых точках и на суперрешетках с деформированным слоем (strained layer superlattice - SLS) типа II (СР-ФПУ).
Представляет интерес сравнить отдельные типы современных охлаждаемых фотоприемников, используемых для создания таких матричных ФПУ. На рис.4.1 приведены теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* таких приемников с различной квантовой эффективностью η от температуры охлаждения Т [28].
Рис.4.1. Теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* при граничной длине волны спектральной характеристики 10 мкм от температуры охлаждения Т для различных приемников ИК-излучения [28]: 1 – фотоэмиссионные приемники (η=67%), 2 – приемники на основе примесной фотопроводимости (η=35%), 3 – приемники на базе квантоворазмерных ям (η=33%), 4 и 5 - приемники на базе квантовых точек при η=2% и 67%, соответственно, 6 – приемники на основе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур (КРТ)» при η=67%, 7 – приемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II.
^
4.1. Фотоприемники на тройных соединениях КРТ[29-34]
Фотоприемные устройства на основе тройных соединений (КРТ-ФПУ) широко используются в ИКС. В ближневолновом и средневолновом ИК-диапазонах материал КРТ конкурирует с InGaSb (при λ=1,7 мкм) и с InSb (при λ=3…5 мкм).
Современная технология изготовления КРТ-ФПУ состоит в нанесении множественных эпитаксиальных слоев на подложки из CdZnTe, которые достаточно дороги. Она позволяет изменять длинноволновую границу спектральной характеристики λгр и изготавливать двухдиапазонные КРТ-ФПУ большого формата – порядка 1000 х 1000 пикселов, работающие в ближневолновом/средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Такие приемники обладают высокой квантовой чувствительностью, им свойственен малый уровень темнового тока.
Основной трудностью при выращивании структур на основе КРТ является сильная зависимость ширины запрещенной зоны от состава КРТ-соединения. Даже небольшие колебания температуры роста и температурная неоднородность по поверхности подложки приводят к изменению этого состава и к соответствующим изменениям граничной длины волны спектральной характеристики λгр. Поэтому однородность параметров отдельных пикселов КРТ-ФПУ сравнительно невелика, особенно для длинноволнового ИК-диапазона. Процент выхода годных приемников, изготавливаемых из достаточно дорогого материала – КРТ, невелик.
Последние разработки компаний CEA-LETI и Sofradir имеют спектральную характеристику с
при охлаждении до 77 К при квантовой эффективности более 70% без применения антиотражательного покрытия. Компания Selex представила результаты разработки КРТ-ФПУ формата 640х512 с шагом (размером) пикселов 24 мкм, граничной длиной волны 10 мкм и хорошей однородностью эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) по матрице для 99,6% пикселов..
Двухдиапазонные КРТ-ФПУ для средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов форматов 640х512 с размером пикселов 24 мкм разрабатываются компаниями Sofradir и LETI (совместно), а также Selex. При одновременной работе в обоих диапазонах ФПУ компания Selex обеспечила ЭШРТ порядка 24…26 мК.
Компанией Selex Sensor & Airborn Systems совместно с компанией QinetiQ (Великобритания) разработаны двухдиапазонные матричные приемники на КРТ формата 320 х 256 с размерами пикселов 30 мкм, работающие в средневолновом (ЭШРТ = 12 мК) и длинноволновом (ЭШРТ = 20 мК) ИК-диапазонах.
Примером разработок, направленных на уменьшение размеров пикселов ФПУ на базе КРТ , являются КРТ-ФПУ компании AIM Infrarot-Module GmbH формата 640 х 512 пикселов размерами 24 и 15 мкм, работающие в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. В типовой конструкции ИКС на их основе применяется охлаждаемая диафрагма (диафрагменное число равно 4,6). При времени накопления 5 мс в средневолновом ИК-диапазоне ЭШРТ не превышает 25 мК, а в длинноволновом ИК-диапазоне с граничными длинами волн спектральной характеристики λгр = 9,2 мкм (при Тохл=67 К) или 10 мкм при диафрагменном числе 2,05 и времени накопления 180 мкс ЭШРТ не превышала 38 мК. Для охлаждения этих ФПУ используются либо традиционные портативные системы с вращающимся компрессором, обладающие сравнительно небольшим энергопотреблением (Ricor R508), либо новые бесшумные линейные системы с увеличенным сроком безотказной работы – более 20 тысяч часов (5Х095). Компания ставит своей задачей создание двухдиапазонных ФПУ (0,9…2,5 и 12…15 мкм) для дистанционного зондирования из космоса. Кроме того, для работы в средневолновом ИК-диапазоне предполагается создать ФПУ формата 640 х 512 пикселов размерами 12 мкм, охлаждаемые до 120 К, что позволит уменьшить габариты, массу, энергопотребление и стоимость систем, в которых они будут использоваться.
Для 3-го поколения метеоспутников, намеченных к запуску на геостационарные орбиты после 2015 г., компания AIM Infrarot-Module GmbH разрабатывает КРТ - ФПУ формата 256 х 256 с λгр=14 мкм при Тохл=55 К. Предполагается, что эти ФПУ с размером матрицы 1 х 1 см2 обеспечат ЭШРТ порядка 24 мК при плотности темнового тока 1 пА/мкм2.
Для создания двухдиапазонных КРТ-ФПУ формата 640 х 512 пикселов с размерами 24 и 20 мкм, работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, компания SELEX Galileo Infrared Ltd. использует эпитаксию паров металло-органических соединений (MOVPE), при которой достигаются снижение стоимости, увеличивается выход крупноформатных ФПУ с малым процентом дефектных пикселов, уменьшается неоднородность чувствительности отдельных пикселов. Использование подложки из GaAs позволяет интегрировать фоточувствительный слой и схему накопления и считывания, а также уменьшить потери на отражение и остаточные напряжения, по сравнению с подложками из CdZnTe. За счет уменьшения размеров пикселов до 24 мкм в средневолновом ИК-диапазоне удалось достичь значения ЭШРТ порядка 10 мК, а при размерах пикселов 20 мкм – 14 мК. В длинноволновом ИК-диапазоне значение ЭШРТ составило 23 и 27 мК для пикселов с размерами 24 и 20 мкм, соответственно. Нужно отметить, что достижение ЭШРТ менее 20 мК в средневолновом диапазоне для размеров пикселов 16 мкм стало возможным при температуре охлаждения порядка 150 К. Можно привести таблицу уже достигнутых параметров одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ компании SELEX Galileo Infrared Ltd.
Таблица 4.1. Некоторые параметры одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ компании SELEX Galileo Infrared Ltd.
| Спектральный диапазон, мкм | Тип (марка) ИКС | Размер пиксела, мкм | Формат | Средняя ЭШРТ, мК | Диафрагменное число объектива, f'/D | Процент годных пикселов,% |
| 3..5 | EAGLE | 24 | 640х512 | 11 | 4 | >99,98 |
| OSPREY | 20 | 384х288 | 17 | 2,3 | >99,97 | |
| HAWK | 16 | 640х512 | 16 | 4 | >99,99 | |
| MERLIN | 16 | 1024х768 | 16 | 2 | >99,99 | |
| 8..12 | LW EAGLE | 24 | 640х512 | 20 | 2 | >99,98 |
| ^ LW HARPTER | 24 | 640х512 | 17 (12) | 2 | >99,95 | |
| LW OSPREY-C | 20 | 384х288 | 28 | 2 | >99,97 | |
| LW HAWK | 16 | 640х512 | 33 (26) | 2 | >99,8 | |
| ^ LW MERLIN | 16 | 1024х768 | 33 (26) | 2 | >99,4 | |
| 8,0..9,5 | ^ CONDOR II | 24 | 640х512 | 11 | - | >99,92 |
| 23 | - | >99,75 | ||||
| 3,8..4,9 | ^ CONDOR III | 20 | 640х512 | 14 | - | >99,18 |
| 27 | - | >99,71 |
Особое внимание разработчиков КРТ-ФПУ, чувствительных в средневолновом ИК-диапазоне, привлекает возможность увеличить рабочую температуру этих фотоприемников (температуру их охлаждения). Подобные разработки ведут различные фирмы. Разработанные компанией DRS-RSTA ФПУ на КРТ-фотодиодах типа n+- n- - p+ способны при температуре охлаждения 160…170 К обеспечить ЭШРТ менее 25 мК и λгр = 4,8 мкм при диафрагменном числе объектива К=3, а для фотодиодов типа n+- p - - p+ при 190 К получить ЭШРТ менее 30 мК для К=3 и даже 240 К для К=1.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера разрабатывает КРТ-ФПУ форматов 640 х 512 с пикселами 20 мкм, работающие в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. Для первого из этих диапазонов ЭШРТ составляет менее 25 мК при диафрагменном числе объектива К=4,6 и времени накопления tи = 5 мс; для второго ЭШРТ менее 30 мК при К=2 и tи=110 мкс. В модульных конструкциях на базе этих ФПУ используются экономичные охлаждающие устройства с временем наработки более 20000 час. Предполагается создать такие ФПУ с изменяющейся для каждого диапазона охлаждаемой диафрагмой, что позволит использовать для обнаружения длинноволновый канал с относительным отверстием объектива 1:3, а для распознавания – средневолновый канал с относительным отверстием 1 : 6 .
В последние годы эта компания разрабатывает ФПУ форматов 640 х 512 и 1280 х 1024 с шагом пикселов 15…40 мкм, чувствительных в ближнем ИК (0,9…2,5 мкм) или в длинноволновом ИК (λгр ≥15 мкм) спектральных диапазонах. Разрабатываемые ФПУ могут быть уже сейчас использованы в двух- или многодиапазонных ОЭС с выделением спектральных диапазонов не в ФПУ, а в оптической схеме.
К другим направлениям совершенствования двухдиапазонных матричных приемников на базе КРТ являются улучшение «спектрального разделения» и обеспечение одновременного считывания сигналов в обоих рабочих спектральных диапазонах.
В США ИКС 3-го поколения выходят из стадии НИОКР, ведущихся по программе Армии США (Dual-Band FPA Manufacturing Program), предусматривающей создание двухдиапазонных матричных приемников излучения с форматом 1280 х 720 или 640 х 480 на базе тройных соединений КРТ с пикселами 20 мкм. Приемники, разработанные и продемонстрированные фирмой Raytheon Vision Systems, работают по принципу сэндвича в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. Граничная длина волны в длинноволновом диапазоне составляет 10,5 мкм при температуре охлаждения 78 К. Чувствительность приемников при этом оценивается ЭШРТ в 20 мК для средневолнового диапазона и 30 мК для длинноволнового при диафрагменном числе объектива 3,5. Процент годных пикселов составил более 99,9% в длинноволновом диапазоне и свыше 98,5% в средневолновом.
На рис.4.2 приведены спектральные характеристики одного из таких приемников формата 256 х 256 или 512 х 512 с шагом пикселов 30 мкм, работающего при температуре охлаждения 70 К.
Рис.4.2. Спектральные характеристики Sλ=f(λ) двухдиапазонного КРТ-ФПУ
Вся конструкция размещена в корпусе с габаритами 41,91 мм (диаметр) х 101,6 мм (длина). Приемники изготавливались из трехслойных пластин КРТ с гетеропереходами по методу молекулярно-лучевой эпитаксии. Одновременная работа в двух спектральных диапазонах обеспечивалась в специально разработанной схеме считывания TDMI ROIC (SB-350) формата 1280x720 с помощью режима мультиплексной интеграции с временны́м уплотнением. Частота опроса пикселов была доведена до 15 МГц. Кадровая частота двухдиапазонных изображений составила 60 Гц.
В системе с такими приемниками в дальнейшем предусмотрено использование перед чувствительным слоем ФПУ охлаждаемой диафрагмы переменного размера, обеспечивающей диафрагменные числа 3,5 и 6,5, а также холодильника Стирлинга с хладопроизводительностью 600 мВт. Система охлаждения будет включать механизм изменения размера охлаждаемой диафрагмы, построенный на базе пьезоэлектрического привода.
Компания SOFRADIR (Франция) продолжает совершенствовать ИК-матрицы на базе КРТ. Разработана кремниевая схема считывания, увеличена кадровая частота, усовершенствован аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Интегрированные в схему считывания АЦП позволяют реализовать новые специальные функции преобразования сигналов, упростить электрический интерфейс и снизить стоимость системы охлаждения и потребляемую мощность. Формат схемы считывания – 640 х 512 с шагом пикселов 15 мкм. Аналого-цифровое преобразование осуществляется по «столбцовой» схеме, при которой сигналы с пикселов мультиплексируются в столбцы на входе одного АЦП и частота выборки уменьшается до скорости опроса строк. Разрешающая способность АЦП при этом достигает 15 бит с частотой выборки (дискретизации) 62 кГц.
При малых напряжениях смещения приемник чувствителен либо к коротковолновому, либо к длинноволновому излучению в зависимости от полярности приложенного напряжения, как это свойственно двухдиапазонным приемникам. Увеличение обратного смещения снижает барьер, который предотвращает поток электронов из промежуточной области как генерируемых в этой области, так и вызванных прямой инжекцией прямосмещенного перехода. При достижении определенной величины обратного смещения электроны, генерируемые фотонами в промежуточной области, смогут пересечь переход, и граничная длина волны перемещается в сторону бóльших длин волн по сравнению с граничной длиной волны коротковолнового диапазона. При изменении напряжения смещения на положительное граничная длина волны сдвигается к длинноволновому диапазону. Подобным образом увеличение положительного смещения сдвигает границу в коротковолновый диапазон. Идеальная чувствительность в промежуточном диапазоне может быть реально не достижима из-за недостаточного поглощения излучения в промежуточной p-области. Испытания опытных образцов приемника проводились при температурах охлаждения 77 К, а также при 145 и 192 К. На рис.4.3 показаны спектральные характеристики (сглаженные) трехдиапазонного приемника при различных смещениях.
Переход к использованию кремниевых подложек при изготовлении крупноформатных КРТ-ФПУ (1536 х 1024 пикселов с размерами 15 мкм), работающих в ближнем и средневолновом ИК-диапазонах при температурах охлаждения Тохл=140…160 К, позволил при диафрагменном числе К=3,4 достичь режима ограничения фоном до λгр=3,7 мкм в ближнем ИК-поддиапазоне и до λгр=4,8 мкм в средневолновом ИК-поддиапазоне при Тохл=115 К.
Сочетание фоточувствительного слоя из КРТ и кремниевой схемы накопления и считывания позволило компании QinetiQ Ltd. разработать ФПУ с ЭШРТ близкой к 10 мК при частоте кадров 2 кГц для широкого спектрального диапазона – 2,5…10,5 мкм.
Компания RVS (Raytheon Vision Systems) разработала ФПУ самого большого из известных сегодня форматов – 4096 х 4096 пикселов размером 20 мкм, работающее в ближнем (температура охлаждения Тохл=110 К) и средневолновом (Тохл= 80 К) ИК-диапазонах. Эти ФПУ были разработаны для ИК космических систем отражения ракетной угрозы (SBIRS).
Рис.4.3. Спектральные характеристики трехдиапазонного приемника при различных напряжениях смещения [35]