Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора

Нужно отметить, что первые два параметра могут изменяться в зависимости от уровня входного сигнала и закона распределения освещенности в изображении.

Большое значение имеет стабильность параметров координатных ПИ (КПИ) при изменении внешних условий, особенно температуры, так как изменение крутизны координатной характеристики или дрейф нулевой точки могут привести к значительным погрешностям в измерении положения изображения, перемещающегося по чувствительному слою ПИ. Минимальное перемещение изображения (разрешающая способность), регистрируемое КПИ, зависит от уровня его шумов, которые у ряда КПИ такие же, как и у обычных ПИ.

Инверсионные фотодиоды, работающие на основе продольного фотоэффекта. Сущность продольного фотоэффекта заключается в том, что в случае несимметричного относительно центра чувствительной площадки фотодиода падения пучка возникает дополнительная ЭДС, направление которой параллельно p-n-переходу [9]. Эта ЭДС пропорциональна удалению светового пятна от центра чувствительной площадки. Зависимость ЭДС от положения изображения на чувствительном слое фотодиода называется инверсионной характеристикой. Продольная фотоЭДС определяется как

где r - удельное сопротивление менее легированной n-области;

I - полный фототок; w - толщина n-области; 2d - расстояние между контактами, расположенными с одной и той же стороны p-n-перехода; х - координата энергетического центра тяжести изображения по оси, соединяющей контакты. Для малых значений х (малых рассогласований), UrIх/(pwd), т.е. инверсионную характеристику можно считать линейной (рис. 7).

Рис. 7. Типичная инверсионная характеристика

Крутизна характеристики может превышать 100 ВЧВт^-1мм^-1, линейная зона инверсионной характеристики составляет несколько миллиметров. Важно отметить, что, используя две пары взаимно перпендикулярных базовых контактов, можно создать двухмерный приемник, с помощью которого определяют две координаты излучателя. При включении нагрузки между базовыми контактами фотодиода знак выходного сигнала указывает, вправо или влево от оси симметрии сместилось изображение излучателя. Подавая напряжение смещения на базовые контакты, можно изменять положение нулевой точки инверсионной характеристики, что выгодно применять в ряде быстродействующих ОЭП.

Основным фактором, ограничивающим сегодня широкое использование инверсионных ПИ, является зависимость их параметров от освещенности чувствительной площадки, а также заметный дрейф нуля, что исключает их применение в особо точных ОЭП, предназначенных для измерения линейных и угловых величин и работающих при изменяющихся освещенностях входного зрачка. Один из наиболее важных параметров инверсионного приемника - крутизна его характеристики - может меняться в зависимости от целого ряда причин: от конфигурации изображения излучателя на слое, амплитуды сигнала и уровня фона.

Фотопотенциометры. Схема фотопотенциометра представлена на рис. 8. На резистивном слое 1 создается падение напряжения от внешнего источника U₀. Резистивный слой является одним из контактов фотопроводящего слоя 2. Второй контакт 3 является омическим и служит коллектором. Фотопотенциометр освещается световым зондом 4 в виде полоски.

Рис. 8. Схема фотопотенциометра

В месте засветки образуется проводящий мостик, сопротивление которого на несколько порядков меньше сопротивления неосвещенных участков. Поэтому ток в нагрузке R_н определяется потенциалом резистивного слоя на уровне светового зонда. Следовательно, величина U_вых является функцией координаты центра зонда, выполняющего здесь ту же роль, что и движок в обычном потенциометре. Выходное напряжение U_вых отличается от разности потенциалов на уровне зонда на величину, равную падению напряжения на освещенном участке фотопроводящего слоя, которая много меньше U_вых.

Утечкой тока через необлучаемые участки фотослоя можно пренебречь, если удельное продольное сопротивление значительно меньше удельного (приведенного к единице длины) темнового поперечного сопротивления фотослоя, а поперечное сопротивление освещенного фотослоя во много раз меньше его темнового сопротивления.

Фотопотенциометры имеют чувствительность до 1В (ммЧВт), их разрешающая способность достигает нескольких микрометров на длине 10...70 мм, отклонения от линейности могут быть уменьшены до 1...5%. За счет профилирования чувствительного слоя удается преобразовывать перемещение светового зонда в электрический сигнал заданного функционального вида.

Основным недостатком фотопотенциометров является низкое быстродействие, оцениваемое постоянными времени в несколько миллисекунд.

Координатные фотоприемники с радиальным электрическим полем (рис. 9). На полупроводниковой пластине на расстояниях не более 2l (l - диффузионная длина) установлены две пары контактов 1 и 2 для съема сигнала смещения изображения объекта по двум взаимно перпендикулярным направлениям. На этой же стороне пластины нанесен кольцевой электрод 3, к которому подводится синусоидальное напряжение относительно точечного модулирующего электрода 4, расположенного на противоположной стороне пластины. Это переменное напряжение создает радиальное электрическое поле для носителей, генерируемых на поверхности пластины, и осуществляет модуляцию выходного сигнала. Вследствие незначительной толщины пластины можно пренебречь вертикальной составляющей модулирующего поля и считать, что оно распространяется по поверхности приемника.

Рис. 9. Схема координатного приемника с радиальным электрическим полем

Пусть изображение какого-либо объекта проецируется в центр пластины в виде пятна конечных размеров. В этом случае на диффундирующие в пластину носители тока действует переменное электрическое поле, которое будет изменять закон их распределения, смещая последние к контактам 1 и 2. При этом происходит периодическое изменение потенциала на электродах с частотой изменения радиального электрического поля, создаваемого источником переменного напряжения 5. Пока объект находится в центре пластины, потенциалы на соответствующих электродах 1 и 2 изменяются одинаково, и выходные сигналы U_x = U_y = 0. При смещении объекта от центра нарушается симметрия распределения носителей, и на электродах 1 и 2 будут новые потенциалы, разность которых пропорциональна смещению, а фаза сигнала укажет направление смещения.

При модулирующем напряжении порядка 1В чувствительность таких ПИ составляет 0,5...1В (ммЧмВт); постоянная времени 10^-5 с; уровень шума - порядка 10^-7В, что позволяет обеспечить высокую разрешающую способность (менее 0,1 мкм), правда, для небольших размеров чувствительного слоя (до 1,2...1,4 мм). Для устранения зависимости координатной характеристики от значения потока, образующего изображение, по дополнительному сигналу, снимаемому, например, с контактов 1 и 4 (рис. 9), т.е. образующемуся в результате поперечного фотоэффекта, осуществляется управление амплитудой тянущего поля. Этот дополнительный сигнал поступает в цепь управления источником тока, подключенным к центральному электроду 4.

Координатные фотодиоды с барьером Шоттки (рис. 10). На неосвещаемой стороне фотодиода есть контакты 1 и 2. К сформированному на границе полупроводниковой подложки 3 и металлизированного слоя 5 p-n-переходу 4 приложено обратное смещающее напряжение U. Электронно-дырочные пары, генерируемые в обедненном зарядами слое, разделяются полем смещения. Дырки, затянутые в толщу подложки, проходят к электродам 1 и 2 путь с высоким сопротивлением. Этот ток, инжектированный в подложку, распределяется между электродами в соответствии с законом Ома. Разностный ток является линейной функцией поперечного положения пучка лучей, генерирующего носители.

Рис. 10. Схема координатного фотодиода с барьером Шоттки

Линейность координатной характеристики зависит, прежде всего, от однородности сопротивления подложки, а также от однородности чувствительности приемника. Она выше в центральной части чувствительного слоя. Нелинейность в радиусе менее 0,1 продольного размера слоя не превышает 1% и составляет несколько процентов на краю. Эта нелинейность может быть устранена соответствующей калибровкой.

Известны фотодиоды рассматриваемого типа с размером чувствительной площадки 35ґ35 мм² и чувствительностью к перемещению порядка долей микрометра.

В качестве сканирующего устройства, осуществляющего развертку изображения, используются сканисторы - развертывающие приемники излучения на базе p-n-переходов. В сканисторе с непрерывной базой (непрерывном сканисторе) на высокоомную полоску коллектора 1 с двумя контактами по краям (рис. 11, а) наносятся базовая область 2 типа n и эмиттерная область 3 типа p. На последней имеется прозрачный эквипотенциальный электрод 4 с контактом. Дискретный сканистор (рис. 11, б) состоит из большого числа p-n-переходов, соединенных попарно проводниками, что уменьшает растекание носителей вдоль базы и повышает разрешающую способность устройства.

Если к контактам коллектора сканистора приложить постоянное напряжение U₁, то при равномерном распределении сопротивления в коллекторе падение напряжения вдоль него также будет распределено равномерно, т.е. потенциал в точке с координатой х будет равен U_1x/L, где L - расстояние между контактами коллектора. Для p-n-переходов в коллекторе это напряжение является запирающим, а в эмиттере - прямым.

Рис. 11. Схемы сканисторов: а - непрерывного; б - дискретного

Если на эмиттер подать напряжение U₂ от генератора пилообразных импульсов, изменяющееся во времени по закону U₂t/T с периодом Т, то в точке с координатой х к p-n-переходам в эмиттере будет приложено напряжение

В момент времени t_x = (U₁/U₂) (x/L) T, когда DU = 0, происходит изменение знака DU, и оно становится обратным для p-n-переходов в эммитерах, являющихся фотодиодами.

Сигнал в каждой точке эмиттера (в каждом фотодиоде дискретного сканистора) пропорционален освещенности. За время Т происходит «опрос» всех переходов вдоль эмиттера.

Используя дифференцирование выходного видеосигнала, можно получить последовательность импульсов с амплитудами, пропорциональными освещенности вдоль направления развертки. Объединяя несколько линейных сканисторов и последовательно их коммутируя, можно осуществлять двумерный анализ изображения или сканирование.

Сканисторы долговечны, компактны. Длина строк достигает нескольких сантиметров, разрешающая способность непрерывных сканисторов - около 100 мкм, дискретных - порядка 20 мкм и может быть увеличена за счет специальной обработки выходного сигнала, например двукратного его дифференцирования.

7. Многоэлементные приемники излучения

Многоэлементные приемники излучения (МПИ) можно разделить на приемники с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов и приемники с внутренними электрическими связями. Приемник первого типа представляет собой набор отдельных одноэлементных приемников, обычно изготовляемых на единой подложке и часто имеющих самостоятельные каналы предварительного усиления. Такие приемники при большом числе элементов, имеют увеличенные габаритные размеры и большое число выводов. При интегральном исполнении приемников второго типа реализуется гораздо большее число каналов, но взаимовлияние и разброс параметров отдельных элементов, наличие коммутационных переходных процессов и утечек по токоведущим шинам и подложкам и ряд других недостатков требуют принятия специальных мер [22].

Очень важно, что приемники первого типа позволяют осуществить произвольную координатную выборку отдельных элементов. Однако на сегодня они уступают ПИ второго типа по числу этих элементов (и по пространственному разрешению), динамическому диапазону амплитуд принимаемых сигналов и по уровню шумов коммутации.

Простейшим приемником первого типа является двухплощадочный (разрезной) приемник, состоящий из двух частей, разделенных небольшим промежутком, который играет роль нулевой точки координатной характеристики. Площадки обычно включаются по дифференциальной (разностной) схеме. Хотя обе площадки такого приемника изготовляются обычно в совершенно одинаковых условиях или вырезаются из одной заготовки, полностью устранить разброс их чувствительностей не удается, т.е. и здесь отмечается дрейф нуля при изменении окружающих условий или при длительной эксплуатации приемника.

Область координатной характеристики двухплощадочного приемника, в которой выходной сигнал изменяется от минимума, соответствующего уровню шума, до максимума, когда изображение излучателя полностью переходит на одну из площадок, определяется размером изображения, а также шириной разделительного промежутка. Очевидно, что линейность и крутизна характеристики также зависят от параметров изображения - формы и закона распределения освещенности.

Достоинствами таких приемников являются большая крутизна, малый дрейф нуля, высокое быстродействие. К их недостаткам следует отнести сравнительно небольшой линейный участок координатной характеристики, а главное, зависимость крутизны этой характеристики от многих параметров (формы, размера, ориентации изображения излучателя, закона распределения освещенности и др.).

Помимо однокоординатных мозаичных приемников, измеряющих рассогласования вдоль одной из осей координат, имеются и двухкоординатные приемники. Простейшим из них является координатный разрезной фотодиод, представляющий собой пластину полупроводника с p-n-переходом, разделенную на четыре части с малыми промежутками между ними (порядка 0,05...0,1 мм). Размеры отдельных площадок таких координатных приемников излучения (КПИ) достигают нескольких миллиметров, а крутизна координатной характеристики - 0,1...0,5 В/(мммВт). К каждой из частей подведены токосъемные контакты.

В ряде случаев отдельные элементы чувствительного слоя используются не для образования полезного сигнала, а для компенсации влияния переменных внешних условий (температуры, давления, влажности, уровня фоновой освещенности и т.п.).

При использовании двух- и четырехплощадочных КПИ в ОЭП, предназначенных для точного наведения на излучающий объект, часто возникает задача: компенсировать влияние изменяющейся освещенности чувствительных площадок на крутизну координатной характеристики ОЭП, а следовательно, и на точность наведения. Известно несколько способов уменьшения этого влияния.

Одним из таких способов для КПИ, состоящего из двух элементов - фотодиодов, является последовательное включение фотодиодов в фотогальваническом режиме. При этом крутизна координатной характеристики КПИ в области малых смещений изображения с линии раздела чувствительных площадок не зависит от освещенности изображения, однако чувствительность такого КПИ низка.

Распространенным способом стабилизации координатной характеристики является использование дифференциальных (суммарно-разностных) схем включения, когда смещение изображения, пропорциональное разности сигналов, снимаемых с площадок КПИ, берется в относительной мере как отношение этой разности к их сумме, которая пропорциональна всему потоку, образующему изображение (см. ниже §7.3, а также [3]).

В последние десятилетия для работы в составе различных ОЭП были разработаны двумерные (матричные, или мозаичные) МПИ с числом элементов от нескольких десятков до нескольких тысяч. Во многих освоенных промышленностью МПИ размеры отдельных элементов достаточно малы (от единиц до десятков мкм) при таких же примерно размерах промежутков между элементами [9,22].

При разработке многих ОЭП возникает ряд специфических требований к параметрам МПИ и фотоприемных устройств (ФПУ) на их основе. Так, часто требуется высокое энергетическое, пространственное и временноме разрешение ОЭП, а для этого необходимо обеспечивать высокую тактовую частоту - частоту считывания сигналов с отдельных элементов, т.е. применять малоинерционные и высокочувствительные приемники излучения. Сегодня приемниками, в наибольшей степени удовлетворяющими этим требованиям, т.е. обладающими малой инерционностью, достаточно высокой чувствительностью и низким уровнем шума, являются фотонные (фотоэлектрические) охлаждаемые приемники.

Наряду с обычными шумами, присущими одноэлементным приемникам, в МПИ и ФПУ на их основе имеют место шумы, определяемые особенностями их конструкции и схемами работы, а также способами считывания сигнала, образуемого на отдельных элементах приемника. К основным из них обычно относят:

- радиационный фоновый шум;

- геометрический шум, определяемый неоднородностью параметров отдельных элементов МПИ и ФПУ;

- тепловой шум, вызываемый теми же, что и в одноплощадочных приемниках, явлениями термоэмиссии носителей;

- неустранимый минимальный уровень шума шумовой «пьедестал» (floor noise);

- шум вследствие неполной эффективности переноса зарядов в отдельных типах приемников;

- шум выходной цепи (схемы накопления и считывания зарядов) МПИ.

Очень часто все эти составляющие выражают числом электронов («шумовых» электронов), приходящихся на один элемент (пиксел) ФПУ.

Большое значение имеет геометрический шум, возникающий из-за различий чувствительности, темновых токов и других параметров и характеристик отдельных элементов МПИ и ФПУ. По своей сути это пространственно изменяющийся шум, но он превращается во временномй шум, когда осуществляется считывание сигналов с отдельных элементов МПИ (электронное сканирование или выборка сигналов). Бороться с таким видом шума достаточно сложно. Для этого нужно совершенствовать технологию производства МПИ, чистоту и однородность материалов, из которых изготовляется приемник. Для борьбы с влиянием геометрического шума в последние годы успешно используют методы электронной коррекции (одноточечной, двухточечной, нелинейной), зачастую реализуемые непосредственно в процессе работы МПИ, т.е. в реальном масштабе времени. Иногда с целью его уменьшения используют осреднение сигналов, снимаемых с нескольких соседних элементов в процессе принудительного сканирования изображения (колебания изображения).

Для МПИ, работающих в средней и длинноволновой ИК областях спектра, обычно считают, что источником паразитного сигнала (шума), который создается из-за неоднородности отдельных пикселов, является излучение фона, т.е. рассматривают пороговый режим работы МПИ.

Материал фотослоя и технология изготовления приемника определяют некоторый минимальный уровень шума, называемый также шумовым пьедесталом. Среднее квадратическое значение этого уровня для современных МПИ составляет десятки и сотни электронов на один элемент. Эта составляющая шума обычно учитывается при приеме слабых сигналов.

Нужно отметить, что высокая квантовая эффективность, которой обладает ряд материалов, из которых изготовляются приемники (обычно фотовольтаические), усложняет требования к системе съема и обработки сигналов. Это связано с быстрым насыщением считывающих устройств, что на практике вынуждает повышать скорость считывания, т.е. увеличивать частоту кадров, чему часто препятствует инерционность приемника. Иногда для борьбы с насыщением приходится уменьшать спектральный диапазон работы МПИ и всей системы.

Для работы в ИК диапазоне спектра создаются гибридные мозаичные ПИ, в которых фоточувствительный слой выполняется в виде мозаики из отдельных фотодиодов или фоторезисторов, соединенных со схемами накопления и считывания зарядов с фотоприемников. Эти схемы строятся на базе ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарная структура «металл-окисел-полупроводник») ячеек [22].

К числу наиболее распространенных фотонных охлаждаемых МПИ относятся: МПИ на базе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур» (HgCdTe или КРТ), работающие как в средневолновом (3...5 мкм), так и в длинноволновом (8... 14 мкм) ИК диапазонах; МПИ на базе барьеров Шоттки PtSi/Si (или просто PtSi), работающие в диапазонах 1... 3 мкм и 3... 5 мкм; МПИ на базе InSb (3... 5 мкм) и МПИ на структурах с квантово-размерными ямами (КРЯ), работающие в сравнительно узких спектральных полосах внутри диапазона 2...20 мкм [22,35].

Для работы в указанных спектральных диапазонах эти приемники, как правило, требуют охлаждения до достаточно низких температур, что заметно усложняет конструкцию ФПУ и всего ОЭП. Однако, сегодня технология их изготовления достаточно хорошо освоена; серийно изготавливаются МПИ самых различных форматов; в системах, где они используются, достигнуто высокое геометрическое и энергетическое (температурное) разрешение.

К перспективным матричным МПИ относят также приемники на основе суперрешеток с деформированным слоем (strained layer superlattice - SLS) типа II, обладающие большим коэффициентом поглощения за счет способности поглощать нормально падающее на них излучение, так что в отличие от приемников на базе КРЯ никаких дифракционных структур в их конструкции не требуется. Технология их изготовления основана на хорошо отработанной технологии материалов А₃В₅ на дешевых подложках. Распространенными материалами слоев SLS являются InAs, GaSb, AlSb, GaInSb.

Работа этих приемников основана на аномальном взаимном расположении зоны проводимости InAs и валентной зоны GaSb - первая расположена ниже второй. Ширину запрещенной зоны в них можно подбирать в широких пределах (3…30 мкм), и она в большей степени зависит от толщины слоев, нежели от композиции материалов. Технология изготовления SLS, основанная на молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет формировать однородные фоточувствительные слои с высоким процентом годных приемников. В последние годы демонстрировались SLS средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов.

Усилия разработчиков фотонных МПИ направлены на расширение спектрального диапазона их чувствительности, увеличение динамического диапазона рабочих освещенностей и достижение высокой степени однородности чувствительности отдельных элементов. В табл. 5 приведены данные о достигнутых значениях этой неоднородности в зависимости от площади чувствительного слоя одного элемента А и допуска на размер элемента [35].

Таблица 5

Неоднородность чувствительности многоэлементных приемников в зависимости от площади элемента и допуска на его размеры

При выборе многоэлементного приемника следует учитывать не только однородность параметров его отдельных элементов, но и чувствительность (квантовую эффективность _е) фотослоя. Вследствие гораздо большей чувствительности приемники на основе InSb и HgCdTe (_е50%) часто предпочтительнее более однородных структур на базе PtSi (_е1%), особенно при работе на длинах волн свыше 4 мкм.

Большое внимание разработчиков ОЭП привлекают неохлаждаемые МПИ инфракрасного диапазона. Хотя они обладают меньшей чувствительностью и большей инерционностью, по сравнению с охлаждаемыми фотоэлектрическими МПИ, системы с такими приемниками не используют дорогостоящих систем охлаждения, имеющих ограниченный срок наработки. По совместимости неохлаждаемых тепловых приемников со схемами считывания, создаваемыми чаще всего на основе кремниевых технологий, они заметно лучше охлаждаемых фотоэлектрических МПИ. Тенденция использовать неохлаждаемые МПИ четко прослеживается при создании недорогих ОЭП массового применения.

Основными типами неохлаждаемых МПИ являются приемники на базе резистивных и диэлектрических болометров, иногда называемые просто микроболометрами. Предпринимались попытки создания термоэлектрических МПИ (многоэлементных термопар, использующих эффект Зеебека) формата до 128x128 элементов с размером пиксела 100x100 мкм, однако широкого распространения эти приемники не нашли.

В табл. 6 приведены обобщенные параметры и характеристики наиболее распространенных матричных многоэлементных приемников инфракрасного излучения, выпускаемых серийно в настоящее время [22].

Многоэлементными ПИ с внутренними электрическими связями, работающими в видимой и ближнем ИК диапазонах, являются фотоприемники на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС), которыми принято называть полупроводниковые устройства, в которых при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение пакетовых зарядов вдоль полупроводниковой подложки. Эти устройства состоят из ряда структур, в которых металлические электроды образуют регулярную систему с достаточно малым шагом - расстоянием между ними.

Хорошо известны трехфазные структуры ПЗС (рис. 12). Один элемент образуется тремя электродами, каждый из которых подключен к своей токопроводящей фазной шине 1... 3. Подложкой является полупроводниковая пластина или пленка, на которую нанесены микроостровки окисла, покрытые слоем металла, играющего роль электрода. Пусть отрицательный (в случае n-подложки) потенциал подан на шину 2 в какой-то начальный момент времени t₀. Накопление зарядов под электродами этой шины в результате действия локальной освещенности по истечении времени накопления заканчивается, и высокий потенциал с шины 2 снимается и подается на шину 3 (момент t₁). Заряды перетекут в потенциальную яму под электроды шины 3 одновременно во всех элементах. К электродам шины 1 они не потекут, так как их потенциал в момент t₁ остается низким. В момент времени t₂ высокий потенциал с электродов шины 3 подается на электроды шины 1, и все заряды одновременно переносятся вправо на один шаг (на один электрод). Далее процесс повторяется.

Рис. 12. Трехфазная структура ПЗС (принцип работы)

Таким образом, линейка фото-ПЗС, в которой под системой прозрачных в рабочем диапазоне спектра электродов при освещении возникает внутренний фотоэффект, позволяет преобразовать распределение освещенности в зарядовые пакеты носителей, хранить их и создавать выходной видеосигнал при последовательной смене потенциалов на фазных шинах. Схемы такого преобразования рассмотрены в гл. 7.

Таблица 6

Сравнение наиболее распространенных матричных многоэлементных приемников инфракрасного излучения, выпускаемых серийно

Тип приемника	КРТ	PtSi / Si	InSb	КРЯ	Микроболометры
Спектральный рабочий диапазон, мкм	3...5	8...12	3...5	3...5	3...5	8...10	7...14
Типовые форматы матриц	128x128, 256x256, 384x288, 640x512, 640x480	128x128, 256x256, 320x240	128x128, 256x256, 512x512, 640x480, 1024x1024, 1040x1040	256x256, 320x256, 512x512, 640x480, 640x512, 1024x1024	640x512	128x128, 256x256, 320x256, 384x288, 640x512, 640x480	160x128, 256x128, 320x240, 384x288
Шаг пикселов матрицы, мкм	25...50	25...50	17...40	25...40	25...30	25...40	45...51
Эквивалентная шуму разность температур (см.§14.1) ДТп, мК	7...16 (К = 2...4)	8...18 (К = 2...4)	33...90 (К = 1.2...1.8)	10...100 (К = 1,1)	20...35 (К = 2)	13...35 (К = 2)	80 (К = 1)
Рабочая температура, К	120... 200	80	< 80	80...120	40...75	40...75	300
Система охлаждения	МКС, ТЭО	МКС	МКС	МКС	МКС	МКС	Отсутствует, Используется лишь ТЭС
Коэффициент заполнения	>. 0,9	> 0,7	0,4...0,7	> 0,98	0,85	0,85	0,44...0,80
Частота кадров, Гц	< 400	< 150...300	30...50	25...60	30	50	25...60
Особенности	Высокая квантовая эффективность позволяет получать малые значения ДТп при небольших временах накопления tu и соответственно больших кадровых частотах Fк. Из-за сложной технологии получения материала КРТ мал процент выхода годных изделий и высока стоимость МПИ, которая резко возрастает по мере увеличения формата матрицы.	Технология изготовления МПИ достаточно проста. Высокая однородность параметров отдельных пикселов. Ограниченный спектральный рабочий диапазон. Низкая квантовая эффективность. При понижении температуры наблюдаемой сцены из-за спада спектральной характеристики в диапазоне 4...5 мкм ухудшается (возрастает) ДТп.	Технология изготовления хорошо освоена. Стоимость изготовления МПИ выше, чем у PtSi /Si, но ниже, чем у КРТ. Высокая квантовая эффективность обеспечивает получение малых значений ДТп при небольших временах накопления. Ограниченный спектральный рабочий диапазон.	Сравнительно простая освоенная технология изготовления позволяет иметь высокий процент выхода МПИ больших форматов с большим коэффициентом заполнения. Узкие рабочие спектральные диапазоны. За счет использования большого времени накопления при невысоких кадровых частотах возможно получать ДТп, близкие к ДТп для МПИ из КРТ. Необходимость иметь очень низкую рабочую температуру ( 40...50 К) для обеспечения высокой обнаружительной способности Невысокая квантовая эффективность, необходимость применения оптических блоков сопряжения (типа дифракционных решеток).	Отсутствие системы охлаждения упрощает конструкцию ФПУ и ОЭП в целом, снижает их стоимость, массу, энергопотребление, время готовности к работе, увеличивает надежность и срок службы системы.

В таблице: МКС - микрокриогенная система, ТЭО - термоэлектрический охладитель, ТЭС - термоэлектрическая стабилизация.

Помимо трехфазной структуры ПЗС разработаны одно-, двух- и четырехфазные ПЗС.

Уровень шума в фото-ПЗС обычно определяется флуктуациями числа электронов в зарядовых пакетах, вызванными фотонным шумом сигнала, дробовым шумом темнового тока, шумами захвата носителей в структуре ПЗС, шумом фонового заряда и др. Охлаждение до -(20...40) °С и другие методы снижения шумов позволяют уменьшить число шумовых электронов до 15...30 в полосе частот до 1 МГц и обеспечить работу ПИ при перепаде освещенностей 10⁴...10⁵.

Приемники на базе ПЗС помимо общепринятых параметров и характеристик описываются рядом специфичных, к которым относятся: частотно-контрастная (пространственно-частотная) характеристика, определяющая качество передачи контраста изображения в виде функции пространственной частоты проецируемой на ПЗС штриховой миры; амплитуды минимальных и максимальных управляющих напряжений хранения и запирания; минимальная f_min и максимальная f_max тактовые частоты (f_min = 0,1...1 кГц, f_max = 2...20 МГц); время хранения информации, достигающее десятых долей секунды, и ряд других [9].

Разрешающая способность ПЗС снижается при больших засветках вследствие переполнения потенциальных ям и диффузии носителей, генерируемых в нижней зоне подложки. Эти явления вызывают растекание зарядов, т.е. появление паразитных зарядов в соседних чувствительных элементах, и смаз изображения. Кроме того, на качество работы фото-ПЗС существенное влияние оказывают различия в значениях чувствительности, темнового тока и других параметров отдельных элементов МПИ, называемые геометрическим шумом.

Достоинства ПЗС:

- высокая разрешающая способность;

- малое потребление мощности, затрачиваемой на обработку информации;

- отсутствие необходимости создавать большое число p-n-переходов и контактов к ним, а следовательно, хорошая технологичность и надежность;

- высокое быстродействие, характеризуемое частотами развертки порядка мегагерц и более;

- возможность обрабатывать и кодировать изображение непосредственно в самом формирователе сигнала, так как на вход ПЗС информация подается в аналоговой форме, а управление ПЗС осуществляется цифровыми методами, и сигнал на выходе дискретен.

Основными недостатками этих ПИ являются:

- неоднородность фотоэлектрических свойств, прежде всего чувствительности отдельных элементов, достигающая часто десятков процентов;

- ограниченный спектральный рабочий диапазон (0,5...1,1 мкм и лишь у некоторых до 3...5 мкм);

- невозможность произвольной выборки сигнала с любого элемента ПЗС, т.е. строго определенная последовательность "опроса" элементов приемника;

- выход из строя всей строки развертки при потере чувствительности (например, «прожоге» при воздействии мощного излучения) одного из элементов этой строки.

Для распространенных ПЗС-фотоприемников наряду с другими составляющими шума необходимо учитывать неэффективность переноса носителей заряда между ячейками ПЗС. Среднее квадратическое значение эквивалентного шумового заряда определяется как

где - коэффициент эффективности переноса заряда от ячейки к ячейке; т - число ячеек ПЗС, проходимых зарядовым пакетом; n_с и n_ф - числа фотоэлектронов, составляющих полезный сигнал и фон соответственно.

Параметры некоторых отечественных и зарубежных фотоматриц на основе ПЗС приведены в табл. 7 и 8.

От ряда недостатков ПЗС свободны приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ) - полупроводниковые ПИ с поверхностным каналом, в котором для считывания и обработки сигналов используется инжекция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек [9]. Ячейки ПЗИ аналогичны ПЗС, но считывание заряда в ПЗИ идет в той же ячейке, где он был создан, а инжекция заряда в полупроводниковую подложку служит для освобождения фоточувствительных ячеек от ранее накопленного заряда. Эти ПИ могут работать как развертывающие ПИ с координатной адресацией (произвольной выборкой изображения). В настоящее время известно лишь очень небольшое количество ПИ на базе ПЗИ.

Таблица 7

Основные параметры отечественных двумерных фото-ПЗС



Таблица 8

Параметры некоторых матричных зарубежных фото-ПЗС

Помимо ПЗС для работы в ближневолновом ИК-диапазоне используются матричные ФПУ на базе InGaSb и InGaAs, которые успешно применяются, например, в ОЭП, работающих комбинированным (активно-пассивным) методом. Активный канал, работающий на безопасных для глаза длинах волн (1,5…1,7 мкм), может использоваться для приема отраженного от цели излучения лазера, а пассивный позволяет обнаруживать и распознавать объекты по их излучению в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. Разработка таких миниатюрных неохлаждаемых матриц иногда рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.



Библиография

1. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76-82.

2. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335с.

3. Высокоточные угловые измерения / Д.А. Аникст, К. М. Константинович, И.В. Меськин и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: 1987. 480 с.

4. Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423с.

5. Данилов Е.П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С. 20-33.

6. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215 с.

7. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов в 2-х частях. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. -Ч.1-350 с. Ч. 2-258 с.

8. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1987. 368 с.

9. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излучения. Учебник для вузов. - С.-Пб.: Папирус, 2004. - 240 с.

10. Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416 с.

11. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985. 128 с.

12. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.

13. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

14. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ.; Под ред. А.И. Горячева, М.: Мир, 1979. 416 с.

15. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. 421с.

16. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 696с.

17. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 387с.

18. Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

19. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Радио и связь, 1985. 200 с.

20. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128 с.

21. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волфа и Г. Цисиса. В 4 т. / Пер. с англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М. Мирошникова. М.: Мир, 1995-1999.

22. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.

23. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. - М.: Университетская книга: Логос, 2009. - 248 с.

24. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; Под общ. ред. Н.В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 644 с.

25. Шуба Ю.А. Оптимальные фильтры при спектральной селекции // Оптико-механическая промышленность. 1969. №6. С. 59-61.

26. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180 с.

27. Davis J. Consideration of atmospheric turbulence in laser system design // Appl. Optics, 1966.V.5, №1. P. 139-147.

28. Fielding K.H., Horner J.L. 1-f binary joint transform correlator // Optical Engineering, 1990. V.29, №9. P. 1081-1087.

29. Hufnagel R.E., Stanley N.R. Modulation transfer function associated with image transmission through turbulent media // JOSA, 1964. V. 54, №1. P.52-61.

30. Infrared and Electro-Optical System Handbook / Ed. by J.S. Accetta and D.L. Shumaker. ERIM, Ann Arbor, Bellingham, SPIE Proc, Vol.PM-10, 1993. 3024 p.

31. Kaufman Y.J. Atmospheric effect on spatial resolution of surface imagery: errata // Appl. Optics, 1984. V.23, №22, P. 4164-4172.

32. Kopeika N.S., Kogan I., Israeli R., Dinstein I. Prediction of image quality through the atmosphere: The dependence of atmospheric modulation transfer function on weather // Optical Engineering, 1990. V.29, №2. P. 1427-1438.

33. McAulay A., Kadar I. Neural networks for adaptive shape tracking // SPIE Proc, V.1099. 1989, P.74-82.

34. McKechnie T.S. Focusing infrared laser beams on targets in space without using adaptive optics//SPIE Proc, V.1408. 1991, P.119-134.

35. Norton P.R. Infrared image sensors // Optical Engineering, 1991. V. 30, №11. P. 1649-1663.

36. Parenti R.R. Recent advances in adaptive optics methods and technolodgy // SPIE Proc., V. 1000. 1988, P. 101-109.

37. Patterson T.J., Chabries D.M., Christiansen R.W. Image processing for target detection using data from a staring mosaic infrared sensor geosynchronous orbit // Optical Engineering, 1986. V. 25, №1. P. 166-172.

38. Rayces J.L. Levich L. Thermal compensation of infrared achromatic objectives with three optical materials // SPIE Proc., V. 1354. 1990, P.752-759.

39. Sadot D., Kopeika N.S. Forecasting optical turbulence strength on the basis of macroscale meteorology and aerosole: models and validation // Optical Engineering, 1992. V.31, №2. P. 200-212.

40. Wight R. A reprise of perfomance prediction methods // SPIE Proc, V.762. 1988, P.171-183. Размещено на Allbest.Ru

...