Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический уНиверситет

________________________________________________________

В.А. Илюшин

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ

УСТРОЙСТВА

И ТЕПЛОВИЗОРЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Новосибирск

2003

УДК 621.383.8(075.8)

И 498

Рецензенты: канд. техн. наук, проф. В.В. Алексеев,

д-р техн. наук, проф. В.К. Макуха

Работа подготовлена на кафедре ПП и МЭ для студентов

V курса факультета рэф по специальностям

200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

и 071400 «Физическая электроника»

Илюшин В.А.

И 498 Многоэлементные фотоприемные устройства и теплови-

зоры: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. –

57 с.

Дополнительное учебное пособие к курсу “Оптоэлектроника”. Предназначено для студентов V курса, знакомых с принципами действия электронных приборов, в том числе одноэлементных фотоприемников. Основное внимание уделено рассмотрению вопросов, связанных с достижением максимальных значений обнаружительной способности фотоприемных устройств.

УДК 621.383.8(0.75.8)

 Новосибирский государственный

т ехнический университет, 2003

Глава 1 Тепловизионные системы

Приемные оптико-электронные системы инфракрасного диапазона с полупроводниковыми твердотельными приемниками изображения принято относить к системам тепловидения, а системы, использующие фотонные приемники типа электронно-оптических преобразователей или фотоэлектронных вакуумных приемных передающих трубок, – к приборам ночного видения. В настоящей работе будут рассмотрены только системы первого вида с многоэлементными приемниками излучения. Термин "тепловизионные системы" (ТВС) можно считать эквивалентом англоязычного термина "infrared imaging systems".

С

Рис.

труктурная схема приемного устройства тепловизионной системы приведена на рис.1. В зависимости от числа элементов в приемнике излучения тепловизионной системы она может быть отнесена к одному из трех поколений. Первое поколение ТВС, относящееся к началу 60-х годов прошлого века, строилось на основе оптико-механических сканирующих систем с одноэлементным приемником или линейкой из сравнительно небольшого количества при­емников. В качестве примера таких систем можно привести ТВС на основе InSb для диапазона 3–5 мкм, работающие при температуре жидкого азота, или ТВС на основе Ge, легированного ртутью, для диапазона 8-14 мкм, работающие при температуре 30 К.

Рис.1. Структурная схема приемного устройства тепловизионной системы:

1 – оптическая система, 2 – узел оптико-механического сканирования,

3 – объектив приемника излучения, 4 – фотоприемное устройство

К системам второго поколения относятся системы, использующие многоэлементные приемники, обеспечивающие высокую плотность считывания информации в фокальной плоскости. По числу элементов разложения, наблюдаемого на индикаторном устройстве изображения, и частоте кадров такие ТВС сопоставимы с совре-менными телевизионными системами. Однако, число элементов в фотоприемных матрицах таких систем (около 10³) меньше числа элементов разложения телевизионного изображения (около 10⁵), поэтому в тепловизионных системах второго поколения еще используются узлы оптико-механической развертки. Как следствие, системам второго поколения присущи недостатки систем первого поколения: большие масса и габариты, недостаточные долговечность и надежность, большая потребляемая мощность. В большинстве современных ТВС, относящихся ко второму поколению, для работы в диапазоне 8–12 мкм наиболее часто используется сканирование линейкой, состоящей из большого числа приемников типа HgCdTe, в режиме временной задержки и накопления, а для работы в диапазоне 3–5 мкм – матрица фотоприемников из InSb умеренного формата (640x480 элементов), работающая в "смотрящем" режиме.

Системы первого и второго поколений относятся к классу сканирующих систем. Следующее, третье поколение ТВС будет полностью базироваться на многоэлементных матричных приемниках: механическое или оптико-механическое сканирование в них не будет использоваться. Вполне возможным станет использование нескольких спектральных диапазонов в инфракрасной области. Увеличатся возможности первичной обработки информации (обнаружение движения объектов, идентификация и др.) непосредственно в фотоприемном устройстве (ФПУ). Улучшится качество изображения на экране дисплея.

Совершенствование ТВС привело не только к увеличению числа элементов в фотоприемной матрице, но и к увеличению рабочих температур ФПУ. Например, приемники второго поколения работают при температурах 170–200 К в диапазоне 3–5 мкм и при температуре 77 К в диапазоне 8–13 мкм, тогда как приемники первого поколения работают при 77 К и 30 К соответственно. Все это позволяет существенно улучшить массогабаритные и стоимостные характеристики приемного устройства, упростить конструкцию и облегчить условия его эксплуатации.

Температуры в диапазоне 170–200 К обычно достигаются с помо­щью трех- или четырехкаскадных термоэлектрических холодильников, так как последние характеризуются достаточно высоким КПД (несколько процентов) в этом диапазоне. Основным недостатком термохолодильников является ограничение по уровню тепловой нагрузки на холодный слой. Для многоэлементного фотоприемника основная тепловая нагрузка определяется теплопроводностью проводов, связывающих охлаждаемую и неохлаждаемую части фотоприемника. Если каждый элемент фотоприемника соединен со своим собственным предусилителем, число проводов пропорционально числу фотоприемных элементов. Поэтому широкое использование термоэлектрических холодильников в качестве охлаждающих устройств стало возможным только в системах второго поколения, в которых матрица фоточувствительных элементов объединена с процессором, осуществляющим первичную обработку сигнала непосредственно в фокальной плоскости приемной системы. Такой процессор в простейшем случае производит мультиплексирование сигналов различных элементов многоэлементного приемника. В этом случае число электрических проводов, соединяющих охлаждаемую и неохлаждаемую части приемника, резко уменьшается. Более совершенные процессоры могут производить и первичную обработку сигнала.

Охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота или более низких, требует использования микрокриогенных машин. В результате многолетней работы по снижению потребляемой мощности, увеличению ресурса работоспособности, улучшению массогабаритных показателей к настоящему времени такие машины удовлетворяют требованиям, предъявляемым к бортовым рефрижераторам для температур вплоть до 30 К.

ТВС третьего поколения с механическими или термоэлектрическими системами охлаждения работают при температурах более 120 К в диапазоне 8–12 мкм и при температурах около 180 К в диапазоне 3–5 мкм. Число элементов в матрице ФПУ достигает при этом (1–2)10⁶.