При надлежащем подборе характеристик источника накачки шумы элементов преобразователя становятся пренебрежимо малыми, и отношение сигнал-шум на выходе преобразователя определяется только радиационным шумом фона.
Отношение сигнал-шум при комнатной температуре ограничивается радиационным шумом фона. Этот шум после первичного преобразования может вызвать заметный дробовый шум в пикселах датчика изображения. Так как сигнал пропорционален коэффициенту преобразования, дробовый шум пропорционален его корню квадратному, а отношение сигнал-шум на выходе преобразователя растет с увеличением этого коэффициента.
В [59] описывается технология создания нанокластеров заданного размера и требуемой плотности. Предполагается, что формат КМОП-ФПУ составит 320х240 пикселов размером 25 мкм. Для этого ФПУ необходима высокая квантовая эффективность, возможность перестраивать схему считывания, высокая кадровая частота. Всемb этим свойствами обладают современные КМОП-структуры.
Ожидается, что при значениях коэффициентов преобразования порядка 10-4 можно будет обеспечить величину ЭШРТ, аналогичную ЭШРТ неохлаждаемых микроболометров, т.е. порядка 50 мК при частоте кадров 30 Гц.
Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ
Неохлаждаемые ФПУ на базе микроболометров продолжают заметно совершенствоваться в последнее десятилетие [2, 3, 60, 63 и др.]. В ИКС 3-го поколения они используются либо в отдельном спектральном канале - обычно в длинноволновой ИК-области, либо обеспечивают работу в двух сравнительно узких полосах спектра, находящихся внутри длинноволнового ИК-диапазона (8…14 мкм). Выделение этих узких полос осуществляется с помощью оптических фильтров.
Продолжающееся уменьшение размеров пикселов микроболометров привело к увеличению формата матриц и повышению быстродействия ИКС при сохранении высокой чувствительности. В США по программам, финансируемым Агенством по перспективным оборонным исследованиям DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) и Директоратом по ночному видению и электронным датчикам NVESD (Night Vision and Electronic Sensors Directorate), разрабатываются микроболометрические матрицы форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с размерами пикселов 17 мкм, с преобразованием «аналог-цифра» внутри чипа ФПУ, значительно увеличенным динамическим диапазоном и заметным уменьшением тепловой постоянной времени за счет уменьшения толщины ФПУ.
Уменьшение размеров пикселов помимо увеличения разрешающей способности позволяет уменьшить размеры и массу всей системы, а также дает возможность изготавливать крупноформатные матрицы без нарушения эксплуатационных размеров фотолитографических систем, используемых при изготовлении матриц.
За счет уменьшения размеров ФПУ такие матрицы весьма перспективны для ИКС стрелкового вооружения, нашлемных систем, а также беспилотных летательных аппаратов.
Сегодня крупноформатные микроболометрические ФПУ с размером пикселов менее 25 мкм и ЭШРТ менее 30…50 мК производятся рядом компаний. Так, в [60] описано ФПУ формата 384х288 с размером пиксела 35 мкм и ЭШРТ порядка 30 мК (при диафрагменном числе К=1, температуре фона Тф=300 К, частоте кадров fк=60 Гц и постоянной времени фи=7,7 мс). В таком же корпусе изготавливаются микроболометры формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм, имеющие примерно ту же ЭШРТ. Неоднородность сопротивлений отдельных пикселов не превышает 2,2% (без применения схемы коррекции неоднородности).
Компания Raytheon Vision Systems (RVS) сообщила о разработке микроболометров SB-246 формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм и площадью чувствительного слоя пиксела 17 х 17 мкм, а также матриц SB-400 формата 640 х 512 с периодом пикселов 17 мкм [61]. У последних ЭШРТ не превышала 50 мК при диафрагменном числе К=1 и частоте кадров 30 Гц. Переход к ФПУ с размером пикселов вдвое меньшим, чем в ранее выпускавшихся матрицах, позволяет уменьшить диаметр входного зрачка и фокусное расстояние объектива ИКС в два раза при сохранении прежнего разрешения. При этом примерно в 8 раз уменьшается общий объем оптической системы ИКС. Компания активно работает над созданием «атермализованных» микроболометрических ФПУ, т.е. матриц без термостабилизации, в которых осуществляется динамическая цифровая коррекция в цепи питания каждого пиксела.
Продолжаются разработки, направленные на создание неохлаждаемых приемников с пороговыми значениями их параметров. Уменьшение размеров пикселов микроболометров приближается к своему пределу. Почти все перспективные разработки тепловизионных систем с неохлаждаемыми приемниками, ведущихся компаниями BAE Systems, Vectronix, DRS, Raytheon Vision Systems, Ulis, L-3 Infrared Products, FLIR Systems осуществляются на базе микроболометров с размерами пикселов 17 мкм [6]. Форматы уже разработанных или разрабатываемых ФПУ равны 640 х 480 и 1024 х 768, а ЭШРТ составляет 45 мК или несколько менее. В настоящее время Директорат ночного видения и электронных датчиков Армии США (NVESD) финансирует исследования и разработки, имеющие целью довести размеры пикселов микроболометров до 12 мкм. Ожидается, что две компании будут способны создать микроболометрические матрицы формата 1920х1080 со сверхмалыми пикселами [6].
Фирма L-3 Communications Infrared Products (L-3IP) продолжает разработку микроболометров на базе б-Si/б -SiGe форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с размерами пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 50 мК в спектральном диапазоне 8…12 мкм и тепловой постоянной времени около 10 мс [63]. Схема элементарной ячейки мультиплексора, используемая в этих матрицах, сочетает в себе вычитание внутрипиксельного тока смещения и переключаемый емкостной фильтр-интегрирующий усилитель. При этом эквивалентная шуму разность температур (ЭШРТ) не зависит от частоты кадров, что очень важно для ИКС, предназначенных для обнаружения быстро движущихся объектов или установленных на подвижных основаниях. Последние разработки L-3IP обеспечивают работу в диапазоне окружающих температур от -40о до +60оС без использования активной тепловой стабилизации. В матрице, работающей с частотой кадров 25 Гц, используются два аналоговых выхода. Высока её однородность - отношение среднего квадратического отклонения чувствительности отдельных пикселов к их среднему значению не превышает 0,017; выход годных пикселов превышает 99,99% [62].
Компания ВАЕ Systems сообщила о разработке микроболометрической матрицы на основе окиси ванадия VOх формата 640х480 с шагом пикселов 17 мкм. В диапазоне 8…12 мкм получены значения ЭШРТ менее 100 мК при времени накопления зарядов tн = 5 мс. При tн = 10…15 мс (частоте кадров 30 Гц) ЭШРТ уменьшается до 50 мК для диафрагменного числа объектива порядка К=1,0…1, Зависимость ЭШРТ от tн имеет вид 1/ tн -0,855.
Компания CEA-LETI при поддержки фирмы ULIS в 2009 году создала микроболометр формата 640 х 480 с шагом пикселов 25 мкм, а также продолжает разрабатывать матрицу формата 1024 х 768 на базе аморфного кремния с периодом пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 40 мК, динамическим диапазоном температур порядка 110…120оК.
В [64] описываются ФПУ на основе КНД-диодов (кремний на диэлектрике), работающие без внешнего охлаждения. В отличие от широко используемых схем на микроболометрах в таких ФПУ в качестве датчиков температуры используются p-n-переходы в слое кремния на диэлектрике. Применение хорошо освоенной технологии кремниевых интегральных схем обеспечивает очень высокую однородность матриц и низкий уровень шума.
При падении излучения на пикселы матрицы КНД-диодов происходит изменение их температуры, которое приводит к прямому падению напряжения на цепочке последовательно включенных диодов. Это напряжение усиливается и интегрируется (рис.14). Из-за изменения значения падения напряжения на цепочке последовательно включенных диодов изменяется постоянная составляющая выходных сигналов.
Рис. 1 Принципиальная схема неохлаждаемого матричного ФПУ на КНД-диодах: ВСД - вертикальный сдвиговый регистр, ГСД - горизонтальный сдвиговый регистр, КФ - кристалл ФПУ, ФП - фотоприемный пиксел на КНД-диодах, ВШ - вертикальная шина, ГШ - горизонтальная шина, ВХ - схема выборки и хранения, ДИ - дифференциальный интегратор, ХГШ - «холостая» горизонтальная шина, ОП - опорный пиксел, ОУ - операционный усилитель, ФНЧ - фильтр нижних частот
В традиционных схемах считывания с интеграторами, управляемыми затворами, имеет место падение напряжения вдоль горизонтальных шин. Поэтому при увеличении коэффициента усиления интегратора для минимизации влияния шумов последующих каскадов из-за этого падения может возникнуть насыщение выходного сигнала матрицы. В схеме с КНД-диодами используются дифференциальные интеграторы и «холостая» шина, подключенная к неинвертирующим входам интеграторов. Холостая шина питается от отдельного источника напряжения. Падение напряжение вдоль нее такое же, что и у основной шины. Дифференциальные усилители интеграторов позволяют компенсировать эффект смещения постоянной составляющей выходных сигналов ФПУ при считывании вдоль строк. Благодаря этому возможно увеличить усиление интеграторов, что позволяет снизить влияние шумов последующих каскадов.
Для отслеживания окружающей температуры предназначены «опорные» пикселы, не имеющие тепловой изоляции и сформированные в виде столбца справа от основных пикселов. Выходной сигнал опорных пикселов зависит только от окружающей температуры, тогда как сигнал с основных пикселов зависит как от уровня их облученности, так и от окружающей температуры. Создаваемый опорными пикселами уровень постоянной составляющей сигналов, снимаемых с фоточувствительных пикселов ФПУ, выделяется с помощью дополнительной схемы выборки-хранения, вход которой подключен к мультиплексированному выходу матрицы. Выборка дополнительной схемы производится по синхроимпульсу, соответствующему моменту опроса столбца опорных пикселов. Сигнал выборки поступает на один из входов дополнительного операционного усилителя (ОУ), на второй вход которого подается постоянное напряжение. Выход ОУ через каскады, находящиеся вне кристалла ФПУ (фильтр нижних частот ФНЧ, буферный усилитель, второй ФНЧ), подключен к холостой шине и ко входам дифференциальных интеграторов. Благодаря этому образуется цепь обратной связи, позволяющая поддерживать стабильный уровень постоянной составляющей выходного сигнала независимо от изменений окружающей температуры.
Испытания матриц формата 320 х 240 с шагом 25 мкм без тепловой изоляции опорных пикселов показали их хорошую однородность без применения сложных схем коррекции. Изменение постоянной составляющей сигнала не превосходило 920 мВ в температурном диапазоне от -10о до 50оС. При использовании опорных пикселов с тепловой изоляцией, закрытых для внешнего излучения, нестабильность уровня постоянной составляющей выходного сигнала оказалась менее 80 мВ. Значение ЭШРТ при относительном отверстии 1:1 объектива, использовавшегося при испытаниях, и частоте кадров 60 Гц составило 32 мК.
В последние годы появились сообщения о создании высокочувствительных фотоприемников на основе полупроводниковых полимерных структур (полимерных фотоприемников) и других тонкопленочных структур, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 0,3…1,45 мкм [4]. Удельная обнаружительная способность этих приемников может достигать 1013 Вт-1Гц1/2см в УФ-диапазоне и более 1012 Вт-1Гц1/2см в диапазоне 1,15…1,45 мкм, а линейный динамический диапазон чувствительности превышает 100 дБ.
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.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.15. Устройство считывания с электрооптическим термочувствительным кристаллом
В схеме считывания выходная мощность Wвых падающего на приемник поляризованного лазерного излучения определяется как
,
где Wвх - поток, создаваемый лазером на входе схемы считывания; ф - коэффициент пропускания системы считывания; ц - разность фаз, изменяющаяся при изменении температуры кристалла на ДТ, которая может быть представлена как:
,
где d - длина кристалла в направлении распространения считывающего излучения,
л - длина волны считывающего излучения,
ne и nо - 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 Wвых 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 Дn= ne - nо = 6•10-3. Это значение приблизительно на два порядка больше Дn такого известного электрооптического материала как LiNbO3. При длине чувствительного кристалла d=50 мкм, что близко к размерам пикселов МПИ, мощность Wвых при диапазоне изменений ДТ в 1К изменяется гораздо заметнее, чем сопротивление болометров, которое при ДТ=1К изменяется на несколько процентов.