Фотоприемные устройства двух- и многодиапазонных оптико-электронных систем

В усовершенствованных многодиапазонных МПИ на базе AlGaAs/GaAs - СКЯ той же компании используются отдельные пикселы или ряды пикселов, имеющие различные размеры трехмерных дифракционных оптических резонаторов (объемных решеток, располагаемых над каждым пикселом, в сочетании с зеркальным отражающим слоем под пикселом). Различие этих размеров обуславливает различия в лмакс узких спектральных характеристик, а также в значениях квантового выхода и темновых токов отдельных спектральных каналов МПИ. За счет такой конструкции приемник выполняет функции диспергирующего элемента, причем выделение отдельных узких полос спектра осуществляется весьма качественно. Были изготовлены МПИ с 52-мя спектральными характеристиками в диапазоне 8…14 мкм на едином кристалле формата 32х6 Усовершенствованный ввод оптического излучения с помощью трехмерных дифракционных оптических резонаторов позволил значительно увеличить квантовую эффективность (до 35-50%), а уменьшенный объем материала приемника обеспечил низкие плотности темнового тока - до (2…8)10-5 А/см2. Ограниченная фоном с температурой 295 К обнаружительная способность находится в диапазоне (0,8…1,5)1011 Вт-1см Гц 1/2 при температуре охлаждения 40 К и диафрагменном числе 2,5 [65].

В 2001-2004 г.г. появились сообщения о разработке четырехканального (четырехдиапазонного) МПИ на GaAs/AlxGa1-xAs-СКЯ формата 640x512, работающего в диапазоне 4…15,5 мкм с расположением лмакс отдельных спектральных каналов на 5,0; 9,1; 11,2 и 14,2 мкм (см. рис.28) и относительным спектральным разрешением (отношением ширины спектральной характеристики Дл к лмакс) 0,26; 0,15;. 0,17 и 0,11, соответственно [22,73,99]. При размерах отдельных фоточувствительных элементов 23 мкм период их размещения составляет 25 мкм. Рабочая температура фотоприемного устройства равна 43 К. Эквивалентная шуму разность температур при диафрагменном числе К = 4 и частоте кадров 30 Гц - менее 20 мК, а удельная обнаружительная способность D* составляет более 1013 на длине волны 3 мкм и более 2 ·1011Вт-1см Гц1/2 на = 14 мкм. Конструкция МПИ состоит из 15ти-периодного набора структур с квантовыми ямами для приема излучения с длинами волн = 4,0…5,5 мкм, 25ти-периодного набора структур для = 8,5…10,0 мкм, 25ти-периодного набора структур для 10…12 мкм и 30ти-периодного набора для = 13,0…15,5 мкм. В этом МПИ строки пикселов, чувствительных в различных спектральных каналах, чередуются (рис.29,а). Формат каждого спектрального канала равен 640x128 пикселов. В конструкции приемника используются глубокие канавки (штрихи) для обеспечения электрического контакта с отдельно взятым слоем (набором). На рис.29,б схематически показано устройство приемника с подложкой из GaAs, через которую поступает излучение. Слои D1, D2, D3, D4 являются СКЯ, рассчитанными на прием излучения в спектральных диапазонах 4,0…5,5; 8,5…10,0; 10…12 и 13,0…15,5 мкм, соответственно. Слои С1…С5 являются промежуточными сильно легированными контактными слоями. Двумерные отражательные (позолоченные) решетки Р1 - Р4 глубиной ѕ волны или большего порядка (3лм/4nGaAs, 5лм/4nGaAs), выполненные на каждом пикселе, служат для изменения направления нормально падающего на приемник излучения в целях его поглощения каждой СКЯ, а также для съема сигналов с пикселов МПИ. Эти решетки служат контактами для активных пикселов, закорачивая в то же время неработающие верхние элементы. При опросе одного из спектральных каналов МПИ другие не работают. Напряжения смещения VB подаются попеременно на каждый столбец пикселов через их вершины. Общей землей служит шина VС, которая закорачивает с торца неработающие ряды столбцов пикселов.

Отдельные спектральные каналы такого четырехдиапазонного приемника для получения гиперспектральных изображений могут быть разделены примерно на 200 узких спектральных каналов с разрешением = 0,02 мкм на длине волны = 4 мкм и 0,05 мкм на = 15,4 мкм, т.е. спектральная разрешающая способность / превышает 100 для всех четырех каналов.

Четырехдиапазонный МПИ вместе с КМОП - мультиплексором формата 640х512 образует гибридное ФПУ. Напряжение питания составляет - 1,1 В. Процент пикселов с Тп менее 100 мК равен 99,9% (29 мК для диапазона 8…9 мкм и 74 мК для диапазона 13,0…15,5 мкм).

В [99] сообщается о дальнейшем совершенствовании конструкции и исследованиях этого приемника. Особенностью новой конструкции является то, что работа во всех четырех диапазонах (каналах) происходит независимо друг от друга, а считывание сигналов с них ведется одновременно. Это позволило уменьшить размеры, энергопотребление и массу МПИ, упростить его конструкцию, так как в МОЭС с таким приемником не нужны никакие подвижные элементы, а оптическая схема становится единой для всех каналов. При этом фоточувствительные слои, размещаемые в единой фокальной плоскости, работают при одной и той же температуре.

При температуре охлаждения 83 К и напряжении смещения -1,5 В отношение сигнал-шум в рабочем спектральном диапазоне 4,0…5,5 мкм ограничивается неоднородностью МПИ, шумом мультиплексора и флуктуациями числа фотонов. При температуре охлаждения свыше 45 К преобладающим в диапазоне 13,0…15,5 мкм становится временной шум, вызываемый темновым током. Для спектральных диапазонов 8…10 и 10…12 мкм режим ограничения фоном (BLIP) достигался при температурах охлаждения, лежащих в диапазоне между 45 и 83 К. При исследованиях использовался германиевый объектив с фокусным расстоянием 100 мм и угловым полем 9,20. Просветление объектива оптимизировалось для диапазона 8…12 мкм. Частота кадров составляла 30 Гц; емкость ячеек кремниевой схемы считывания (ISC 9803) была равна 1,1?107 электронов. Измеренные значения эквивалентной шуму разности температур при охлаждении МПИ до 40 К для рабочих спектральных диапазонов составили 21,4 мК (4…5 мкм); 45,2 мК (8…10 мкм); 13,5 мК (10…12 мкм) и 44,6 мК (14…15,5 мкм).

На рис.30 приводятся зависимости удельной обнаружительной способности D* одного пиксела каждого из каналов этого приемника при напряжении смещения -1,5 В, температуре фона 300 К и диафрагменном числе объектива 5 [99].

При использовании в МОЭС многоэлементных приемников излучения приходится встречаться с рядом трудностей совмещения в одной конструкции не только собственно МПИ, но и схем накопления и считывания зарядов с различных спектральных каналов МПИ. Так, разработчики четырехдиапазонного МПИ, описанного в [99], большое внимание уделили способам устранения различий в темновых токах и чувствительностях, свойственных каналам этого приемника. Причины этих различий заключаются в том, что в отдельных каналах различны импедансы приемников, чувствительности по отношению к одной и той же температуре сцены (при одинаковых для всех каналов напряжений смещения и временах накопления зарядов). Различны и рабочие температуры (температуры охлаждения) отдельных каналов приемника. Все эти факторы приводят к невозможности оптимизировать какую-то одну схему накопления и считывания зарядов для всех каналов ФПУ. Особенно трудно достичь одинаковых значений фототоков сигнала и темновых токов, т.е. осуществить балансировку каналов ФПУ, работающих в разных спектральных диапазонах и при изменяющихся температурах сцены. В [99] предлагается учитывать различия в динамических диапазонах сигналов путем соответствующей настройки схем накопления и считывания, а также путем применения в каналах ФПУ специальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с различными коэффициентами преобразования (усиления) и напряжениями смещения. Еще один путь преодоления отмеченных трудностей может заключаться в объединении в один кадр нескольких кадров (субкадров), число которых равно числу рабочих спектральных диапазонов. Для каждого из объединяемых субкадров подбираются свои оптимальные напряжения смещения и времена накопления зарядов. Однако, при таком способе уменьшается кадровая частота МОЭС. Кроме того, здесь возможно возникновение искажений изображения из-за непостоянства напряжения смещения в процессе смены субкадров и образования синтезированного кадра. Рассматривая перспективы создания МПИ, работающих в широком спектральном диапазоне - от УФ до длинноволнового ИК (до 15 мкм и более), авторы [107] описывают модель одного элемента такого приемника в виде многослойного сэндвича, состоящего из кремниевого микроболометра, с которым соединяются последовательно располагаемые светочувствительные слои p-InAs, n-InAs, n-InGaAsSb,p-InGaAsSb, p-GaSb, n-GaSb, n-Si и p-Si. На поверхность слоя p-Si, первого по ходу падающего на приемник излучения, для очувствления его в УФ-диапазоне предлагается наносить слой фосфора. Предполагается, что такой приемник позволит осуществить прием излучения в пяти отдельных спектральных рабочих каналов внутри общего широкого диапазона.

Было проведено математическое моделирование процесса поглощения излучения в отдельных p-n переходах слоев Si, GaSb и InAs, позволившее определить оптимальные толщины слоев для получения максимального поглощения фотонов и требуемой квантовой эффективности в спектральных диапазонах от УФ до 0,9 мкм, от 0,8 до 1,7 мкм и от 1,5 до 3,4 мкм. Экспериментально определялись чувствительность и темновые токи отдельно взятых p-i-n фотодиодов на базе Si, и p-n фотодиодов на основе GaSb и InAs.

Трудности реализации на практике конструкции такого МПИ, заключающиеся, например, в обеспечении доступа к отдельным фоточувствительным слоям с целью обеспечения требуемых напряжений смещения структуры, в [107] не рассматриваются.

Списоклитературы

1. АлеевР.М.,ИвановВ.П.,ОвсянниковВ.А.Основытеориианализаисинте- завоздушнойтепловизионнойаппаратуры.-Казань:Изд-воКазан.ун-та, 2000.-252с.

2. БандиБ.Методыоптимизации.Вводныйкурс:пер.сангл.-М.:Радио исвязь,1988.-128с.

3. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфра- красныхсистемприAMиЧМ//Зарубежнаярадиоэлектроника,1962.№4. С.76-82.

4. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы дляинфракраснойтехники.-М.:Наука,1965.-335с.

5. Высокоточныеугловыеизмерения/Д.А.Аникст,К.М.Константинович, И.В.Меськинидр.;подред.Ю.Г.Якушенкова.-М.,1987.-480с.

6. Вычислительная оптика: справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д.Ивановидр.;подобщ.ред.М.М.Русинова.-Л.:Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1984.-423с.

7. ГрузевичЮ.К.Оптико-электронныеприборыночноговидения.-М.:ФИЗ- МАТЛИТ,2014.-276с.

8. ДаниловЕ.П.,ЛуцивВ.Р.Нейронныесети:современноесостояниеипер- спективы//Оптико-механическаяпромышленность.1991.№4.С.20-33.

9. Демин А.В., Которский Н.С. Имитационное моделирование информа- ционно-измерительных и управляющих систем. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007.-139с.

10. Дубиновский А.М., Панков Э.Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронныхприборов.-Л.:Машиностроение,1986.-152с.

11. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системывисследованияхприродныхресурсов.-М.:Недра,1984.-215с.

12. ЗапрягаеваЛ.А.,СвешниковаИ.С.Расчетипроектированиеоптических систем: учебник для вузов: в 2 ч. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Изд-во МИИГАиК,2009.-Ч.1-350с;ч.2-258с.

13. ЗуевВ.Е.,КабановМ.В.Переносоптическихсигналоввземнойатмосфе- ре(вусловияхпомех).-М.:Сов.радио,1987.-368с.

14. Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения. - С.Пб.: Политехника,2009.-415с.

15. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излу- чения.Учебникдлявузов.-С.Пб.:Папирус,2004.-240с.

16. КатысГ.П.Восприятиеианализоптическойинформацииавтоматиче- скойсистемой.-М.:Машиностроение,1986.-416с.

17. Каценбоген М.С. Характеристики обнаружения. - М.: Сов. радио, 1965.-96с.

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

19. КриксуновЛ.З.Справочникпоосноваминфракраснойтехники.-М.: Сов.радио,1978.-400с.

20. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: учебник длявузов.-СПб.:Лань,2015.-560с.

21. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленга- ции.-М.:Машиностроение,1978.-168с.

22. ЛлойдДж.Системытепловидения:пер.сангл.подред.А.И.Горячева.- М.:Мир,1979.-416с.

23. Мак-КартниЭ.Оптикаатмосферы.-М.:Мир,1979.-421с.

24. Методология проектирования оптических приборов: учеб. пособие / А.А. Шехонин, В.М. Домненко, О.А. Гаврилина. - СПб.: Изд-во НИУ ИТМО,2006.-112с.

25. МирошниковМ.М.Теоретическиеосновыоптико-электронныхприбо- ров.-Л.:Машиностроение.Ленингр.отд-ние,1983.-696с.

26. МихеевМ.А.Основытеплопередачи.-М.:Энергия,1977.-344с.

27. НоренковИ.П.Введениевавтоматизированноепроектированиетехниче- скихустройствисистем.-М.:Высш.школа,1986.-304с.

28. ПешельМ.Моделированиесигналовисистем.-М.:Мир,1981.-300с.

29. ПорфирьевЛ.Ф.Основытеориипреобразованиясигналоввоптико-элек- тронныхсистемах.Л.:Машиностроение.Ленингр.отд-ние,1989.-387с.

30. Проектированиеоптико-электронныхприборов.-изд.2-е,перераб. идоп./Ю.Б.Парвулюсов,С.А.Родионов,В.П.Солдатовидр.;подред. Ю.Г.Якушенкова.-М.:Логос,2000.-488с.

31. ПрэттУ.Цифроваяобработкаизображений:пер.сангл.:в2кн.-М.: Мир,1982,Кн.1-312с.,кн.2-480с.

32. РоузА.Зрениечеловекаиэлектронноезрение:пер.сангл.:-М.:Мир, 1977.-216с.

33. РябовС.Г.,ТоропкинГ.Н.,УсольцевИ.Ф.Приборыквантовойэлектрони- ки.-М.:Радиоисвязь,1985.-200с.

Размещено на Allbest.ru