Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИКС ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ (МИКРОДАТЧИКИ)

Размер одного пиксела: 25.. .50 мкм.

Форматы матриц: 160х 120.. .320х240 элементов.

Эквивалентная шуму разность температур Тп : менее 50 мК при К - 1,8, FK= 30 Гц и температуре фона 300 К (иногда прогнозируется значение ДГП, близкое к теоретиче­скому пределу, т. е. 1.. .2 мК при размерах пиксела 50x50 мкм, К= 1 и FK = 30 Гц.)

Время накопления сигнала: 1...5 мс.

Потребляемая мощность (при наличии схемы управления питанием): менее 0,01 Вт.

Масса: до 0,05 кг.

Объем: менее 2 куб. дюймов; максимальный габаритный размер не должен превы­шать 15 см, что составляет, например, около 1/10 размера современных малогабарит­ных носителей (беспилотных летательных аппаратов), перемещающихся со скоростями от 10 до 20 м/с.

Система охлаждения: дьюар с умеренным вакуумом без системы охлаждения и стабилизации температуры.

Стоимость таких микродатчиков не должна превышать 50... 100 долл.

Интересно сопоставить данные об объемах продаж датчиков этих групп на базе InSb, выпускаемых группой компаний «Raytheon Infrared Operations», которые в 2001 г. составили: ИКС формата 64x64 - более 500 единиц, формата 128x128 - более 2300 единиц, форматов 256x256 - более 1000 единиц, формата 1024x1024 - десятки и от­дельные экземпляры [92].

Иногда говорят об ИКС третьего поколения, которые должны обладать следующи­ми качественными признаками [169]:

- более 106 пикселов размером менее 10...20 мкм и с высокой степенью заполнения чувствительного слоя МПИ;

- два и более спектральных диапазона;

- более высокие, чем сегодня, рабочие температуры (более 150 К);

- большие (несколько сотен герц) частоты кадров.

Рассмотрим конкретные пути реализации отмеченных тенденций путем совершен­ствования основных узлов ИКС: оптических систем, ФПУ, электронных трактов обра­ботки сигналов.

Совершенствование оптических систем ИКС идет по традиционным направлениям:

- разработка новых, более технологичных и дешевых оптических материалов для широкого диапазона оптического спектра, обладающих лучшими параметрами и харак­теристиками, чем современные;

- создание новых оптических схем, миниатюризация, особенно за счет применения интегральных технологий и систем, когда оптические элементы и электронные схемы выполняются в виде монолитной конструкции, например в одном кристалле; примене­ние асферических поверхностей и дифракционной оптики для улучшения качества изо­бражения;

- совершенствование существующих и освоение новых технологий изготовления оптических деталей, например травления, электронно-лучевой, лазерной и ионной об­работки, эпитаксии;

- создание адаптивных оптических систем.

Уже сегодня размеры отдельных пикселов МПИ близки к определяемому дифрак­цией пределу = 2,44ХК, где А, - длина волны излучения, а К - диафрагменное число объектива, строящего изображение в плоскости чувствительного слоя МПИ. Для К =2 (р//' = 1:2) и X = 5 мкм (1Л « 25 мкм. С учетом возможной избыточной дискретизации размеры элементов (пикселов) могут достигать 10... 12 мкм для МПИ, работающих в диапазоне спектра 3... 5 мкм.

Сегодня, разрабатывая конструкции оптических систем с разрешением, близким к дифракционному, и большим относительным отверстием (К я 1), специалисты говорят

О возможности создания ИКС с уплотненной пространственной выборкой (до четырех и более на размер пиксела), что при использовании специальных методов обработки сигналов может повысить качество изображения, создаваемого ИКС, увеличить точ­ность измерений координат наблюдаемых объектов и улучшить другие критерии каче­ства и эффективности работы ИКС.

Для двухдиапазонных ИКС, например работающих одновременно в участках спек­тра 3...5 и 8. ..14 мкм, очень выгодно иметь общую оптическую систему.

Продолжаются разработки ИКС с изменяющимся угловым полем объектива, в кото­рых используются МПИ. Чаще всего в этих системах широкое поле обнаружения (об­зора) переключается на узкое поле распознавания или слежения.

Постоянно ведутся исследования и разработки атермализованных оптических сис­тем, например применяемых в ракетной технике, работающих в условиях значительных аэродинамических нагревов.

Очень перспективными представляются системы, в которых на сферических и пло­ских поверхностях оптических деталей из кремния формируются тонкие асферические или дифракционные пластмассовые покрытия. Эти слои создаются либо путем алмаз­ного точения, либо моллированием. Такая технология заметно снижает стоимость оп­тических систем для двухдиапазонных ИКС.

Примером следования этим тенденциям служит разработка трехзеркальной облег­ченной оптической системы с атермализацией и общим для двух спектральных рабо­чих диапазонов входным зрачком [65]. Диапазоны 0,5... 1,7 и 7,5... 13,5 мкм разделя­ются с помощью дихроичного зеркала. Система имеет двойное угловое поле: широкое - 18x24° и узкое - 4,5х6,0° с размерами входных зрачков 38x76 и 9,5x19 мм и фокусны­ми расстояниями 76 и 19 мм соответственно. В диапазоне 0,5... 1,7 мкм формат фото - ПЗС составляет 480x640 пикселов размером 12 мкм. В диапазоне 7,5...13,5 мкм ис­пользовался модуль SB-212 (см. выше). В канале 0,5... 1,7 мкм предусмотрено исполь­зование оптических нейтральных фильтров и ирисовой диафрагмы для ослабления дневного света в 104 раза, что позволяет системе работать как днем, так и в безлун­ную ночь. Изображения, получаемые в двух спектральных диапазонах, сводятся в од­но электронным путем. В то же время оператор может отображать на дисплее любое из них.

В системах с высоким энергетическим и пространственным разрешением использу­ются светосильные объективы большого диаметра, стоимость которых, как и стоимость ФПУ, весьма значительна. Ограничение формата ФПУ в ИКС третьей группы и уменьшение размеров отдельных пикселов при сохранении их высокой чувствительно­сти позволяет уменьшить относительное отверстие объектива, что заметно снижает стоимость всей системы.

К основным направлениям совершенствования ФПУ, в первую очередь, относятся:

- увеличение пространственного, энергетического и временного разрешения МПИ и ФПУ;

- повышение рабочей температуры (температуры охлаждения) ФПУ или вообще от­каз от системы охлаждения;

- увеличение частоты кадров;

- создание ФПУ, работающих в двух и более спектральных диапазонах.

В настоящее время максимальные размеры охлаждаемых матричных МПИ близки к 5Х5 см с числом элементов более 4-106. В ближайшее десятилетие предполагается уве­личить размеры кремниевых подложек, на которые наносятся чувствительные слои КРТ и InSb, что позволит довести размеры чипа ФПУ до 25x25 см и заметно увеличить форматы МПИ, хотя останется проблема обеспечения высоких коэффициентов запол­нения МПИ при уменьшении размеров отдельных пикселов.

Соответственно увеличению числа отдельных элементов МПИ (до 109) возрастают требования к коррекции неоднородности их чувствительности. Это особенно важно, если исходить из повышающихся требований к энергетической (температурной) раз­решающей способности ИКС. Часто считается, что необходимо уменьшить простран­ственную неоднородность элементов МПИ до уровня менее 0,5ДГп. Для получения

ДГП = 25 мК остаточная неоднородность Ск пикселов ФПУ не должна превышать 0,04%, так как только в этом случае геометрический шум будет пренебрежимо мал по сравне­нию с тепловым. Соответственно, при требовании ДГП = 2,5 мК значение Ск не должно превышать 0,004%.

Очень актуальным является создание неохлаждаемых МПИ и ФПУ без температурной стабилизации. Сегодня для коррекции неоднородности чаще всего используют регули­ровку в реальном масштабе времени коэффициентов усиления и напряжений смещения схем считывания. Очевидно, в перспективе предпочтение будет отдаваться цифровой обработке, когда значения коэффициентов усиления и напряжений смещения для каж­дого пиксела ФПУ при различных температурах будут запоминаться в ЗУ, а затем в сигналы, получаемые при просмотре кадров (сцены), будут вводиться соответствую­щие поправки. Реализация на практике такой процедуры усложняется по ряду причин. Во-первых, при большой крутизне и нелинейности зависимости чувствительности ФПУ от температуры требуются очень высокие точности подобной калибровки и кор­ректировки, а также большое число точек (температур), по которым проводится калиб­ровка. Это увеличивает требования к объему памяти и другим параметрам электронно­го тракта. Во-вторых, необходимо обеспечивать стабильность параметров и характери­стик ФПУ во времени, так как в реальных условиях эксплуатации многих ИКС не уда­ется достаточно часто проводить их калибровку. Тем не менее такой алгоритм работы ИКС с неохлаждаемыми ФПУ уже успешно реализуется на практике. Так, компания «Boeing» продемонстрировала возможность сохранения значения Д Тп таким путем в пределах 25...35 мК при изменении температуры ФПУ в диапазоне +15...+40°С [73]. В §7.5 приводились сведения об аналогичной разработке микроболометров фирмами «LETI» и «ULIS».

Развитие ИКС третьего и последующих поколений будет в очень большой степени зависеть от прогресса в области аппаратурного и программного обеспечения цифровой вычислительной техники. Определяющими факторами при этом являются производи­тельность процессора, объем памяти и сложность программного обеспечения.

Интересно сопоставить тенденцию роста количества пикселов охлаждаемых ФПУ с тенденцией увеличения объема динамической памяти современных и перспективных запоминающих устройств (ЗУ в битах на чип). На рис. 14.23 приведены графики, ото­бражающие эти тенденции [214]. Одновременно следует отметить, что в КМОП-схемах считывания современных ФПУ в каждой ячейке используются, как минимум, три тран­зистора.

У ИКС без систем охлаждения ДГП должна быть уменьшена до того же значения, что у ИКС второго поколения с охлаждением, т. е. до 10 мК при К - 1 и малых размерах чув­ствительных элементов (25...30 мкм). Однако у ИКС третьего поколения без охлаждения меньше диафрагменное число К объектива и меньше время интегрирования всего кадра.

Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced Uncooled Thermal Imaging Program) Агенства по перспективным оборонным научно - исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA) предусматривает создать микроболометры формата 1280х960 пикселов размером
15 мкм и ДГ,, = 10 мК [146]. При ее реа­лизации станет возможным заменить ИКС с охлаждаемыми ФПУ на более дешевые и экономичные ИКС с микро­болометрами. Этой же цели служит стремление исключить из состава ИКС термоэлектрические охлаждающие уст­ройства и перейти на управление чувст­вительностью, т. е. стабилизировать и корректировать неоднородность в боль­шом динамическом диапазоне чисто электронными средствами, что поможет уменьшить массу, габариты, энергопо­требление и стоимость таких ИКС [73, 146]. Очень важно, что при решении этих задач заметно упростится создание автономных ИКС военного назначения, способных рабо­тать совместно с радиотехническими, сейсмическими, акустическими и другими датчи­ками в сложных эксплуатационных условиях.

Уже упоминалась разработка ИК-камеры UL3 Omega, в которой термоэлектриче­ская система стабилизации рабочей температуры заменена электронной. В [146] приве­дены результаты исследований электронной системы стабилизации чувствительности микроболометрического ФПУ компании «Boeing», основанной на калибровке коэффи­циентов усиления отдельных пикселов в широком диапазоне температур наблюдаемого черного тела (от 15 до 42,5°С), запоминании этих коэффициентов, их экстраполяции и учете в процессе работы ИКС. В диапазоне от 17,5 до 30°С значение АГП оставалось практически постоянным и равным приблизительно 25 мК. При повышении температу­ры до 42,5°С среднее значение ДГП несколько увеличивалось, наблюдались отдельные выбросы, но они не превышали 55 мК. Разработчики компании «Boeing» надеются усо­вершенствовать электронную систему стабилизации и довести ДГП до значений, мень­ших 20 мК [146]. Путь дальнейшего совершенствования неохлаждаемых микроболо­метров без системы термоэлектрической стабилизации они видят также в использова­нии дешевого аморфного кремния в качестве материала чувствительного слоя МПИ.

Тенденция перехода на электронную систему стабилизации чувствительности и коррекции неоднородности отдельных пикселов ФПУ характерна и для последних раз­работок компании «AEG Infrarot-Module GmbH» — ИКС на базе KPT-МПИ с микроска­нированием [97].

Стремление улучшить пространственное разрешение ИКС, уменьшая размеры чув­ствительного элемента МПИ, наталкивается на ряд препятствий: технологические сложности изготовления; уменьшение коэффициента заполнения пиксела; усложнение схемы считывания и обработки сигналов, особенно при сохранении неизменным угло­вого поля ИКС, что ведет к увеличению формата ФПУ; уменьшение зарядовой вмести­мости (емкости) соответствующей пикселу МПИ ячейки схемы считывания накоплен­ного сигнала и др. В последние годы для повышения пространственного разрешения

ИКС без уменьшения размеров отдельных элементов МПИ все чаще используют рассмот­ренное в гл. 9 микросканирование.

Как уже неоднократно отмечалось, поток фотонов в длинноволновом ИК-диапазоне спектра собственного излучения большинства наблюдаемых ИКС сцен гораздо больше, чем в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Это зачастую вызывает насыщение (переполне­ние) ячеек схем считывания сигналов с отдельных элементов МПИ. Сегодня емкость этих ячеек при размере пиксела порядка 30 мкм обычно не превышает 3-107 носите­лей заряда. Насыщение типовой ячейки при сигнале с плотностью 1016...1017 элек - тронов на 1 см в 1 с происходит за 10... 100 мкс, в то время как время кадра часто близко к 10 мс. Поэтому увеличение зарядовой емкости ячейки схемы считывания важно с точки зрения увеличения динамического диапазона облученностей, при ко­торых работает ИКС.

Для ИКС третьего поколения ставится задача повышения чувствительности на по­рядок и более, т. е. достижения ДГп = 1...2 мК. Если для длинноволнового ИК-диапа - зона сопоставить изменение потока фотонов, вызванное изменением температуры на

1 мК, со значением потока, соответствующего типичной температуре фона 300 К, то получится, что емкость накопительных ячеек схемы считывания должна составлять 6-109 электронов. Это соответствует динамическому диапазону 5,5-104 (95 дБ). Но даже при таком большом динамическом диапазоне насыщение ячеек будет происходить для температур сцен порядка 355 К [215].

Для предотвращения насыщения ячеек схемы считывания ФПУ путем снижения уровня сигнала можно уменьшать относительное отверстие, сужать спектральный диа­пазон работы ИКС, уменьшать время накопления. Однако все эти меры ведут к умень­шению отношения сигнал-шум и, как следствие, к ухудшению показателей качества работы системы.

Устранить или ослабить влияние емкости накопительных ячеек на ограничение ди­намического диапазона можно разными способами: технологическими, повышением частоты кадров с последующим усреднением сигналов, применением высокочастотной пространственной оптической фильтрации.

К числу технологических способов относятся совершенствование конструкции кон­денсаторов этих схем, применение новых изолирующих материалов с более высокими диэлектрическими постоянными и др., однако предполагается, что они не приведут к увеличению емкости ячеек в ФПУ, работающих в диапазоне 8... 14 мкм, более чем на порядок [249].

Для обеспечения большого динамического диапазона принимаемых сигналов с со­хранением высокого отношения сигнал-шум предлагалось использовать несколько вы­борок аналогового сигнала с выхода ФПУ за время кадра с помощью АЦП и затем ин­тегрировать и осреднять их. Осуществление преобразования аналогового сигнала в цифровой в одном кристалле со схемой считывания имеет ряд преимуществ перед тра­диционной схемой, когда АЦП находится вне ФПУ (см. рис. 10.1). Во-первых, вместо одного АЦП для всех пикселов ФПУ можно использовать несколько таких преобразо­вателей, т. е. вести параллельную обработку сигналов и либо увеличить частоту кадров, либо уменьшить частоту выборки. Последнее позволяет уменьшать эквивалентную по­лосу пропускания шума, а следовательно, и шум, вносимый АЦП. Оптимальной яви­лась бы схема «один пиксел — один АЦП», но ограничения площади ячейки не позво­ляют сегодня реализовать ее на практике. Более реальной представляется схема «один или несколько столбцов пикселов - один АЦП».

Во-вторых, совмещение ФПУ с АЦП в одном чипе позволяет уменьшить зависи­мость сигнала от внешних помех (электромагнитных наводок, вибраций и т. п.). Осо­бенно перспективным такое совмещение представляется для охлаждаемых ФПУ боль­ших форматов на базе КМОП-структур, поскольку помимо возможного уменьшения частоты выборки сигналов размещение АЦП вместе с МПИ и схемой считывания в ох­лаждаемом объеме (в дьюаре) улучшает параметры КМОП-элементов, уменьшает токи утечки и тепловой шум.

Основными препятствиями совмещению ФПУ и АЦП в одном чипе являются ус­ложнение схемы, увеличение размеров и стоимости ФПУ, а также увеличение энер­гопотребления, главным образом, из-за увеличения нагрузки на систему охлажде­ния. Анализ различных схем АЦП, проведенный авторами [197], привел их к выво­ду о том, что при современном уровне технологии для ФПУ на базе ФКЯ формата 640x480 с температурным разрешением 15 мК, охлаждаемых до 70 К и ниже, пре­имущества размещения АЦП в составе ФПУ на практике пока не могут быть реали­зованы.

Следует учитывать, что увеличение частоты кадров свыше 100 Гц ведет к усложне­нию холодильника, так как частота кадров и активная нагрузка системы охлаждения взаимосвязаны (изменяются прямо пропорционально одна другой). Это также объясня­ет стремление повысить рабочую температуру ФПУ, что значительно снизит цену ИКС, а также требования к системе охлаждения.

Помимо ограничения динамического диапазона принимаемых сигналов из-за недос­таточной емкости ячеек схем считывания следует учитывать и ограничения, обуслов­ленные выходными цепями мультиплексоров. Динамический диапазон современных мультиплексоров близок к 70...75 дБ [215]. При этом напряжение шума на их выходе составляет примерно 300 мкВ. Поскольку выходное напряжение мультиплексора огра­ничено 3 В, для расширения динамического диапазона до 95 дБ уровень шума на выхо­де должен быть снижен примерно до 55 мкВ. Ожидается, что если оцифровывать вы­ходной сигнал в мультиплексоре с разрядностью 15... 16 бит и выводить данные в циф­ровом виде, то чувствительность ИКС будет ограничиваться флуктуациями числа фо­тонов, а не шумом электронной схемы.

Уменьшение мощности, рассеиваемой выходными каскадами мультиплексора, т. е. на­грузки системы охлаждения при увеличении частоты кадров, может быть достигнуто не­сколькими способами [215]. Первый состоит в переходе к выходным схемам с токовым управлением. Второй заключается в размещении вне охлаждаемого объема буферного усилителя. Третий состоит в оцифровке сигналов в чипе ФПУ и использовании для пере­дачи сигналов оптических выходов с маломощными лазерными диодами, эффективность которых возрастает с понижением температуры. При температурах охлаждения МПИ по­роговый ток лазерной генерации снижается, а информационная полоса частот может за­метно превышать типичную для транзисторных усилителей полосу частот 10 МГц.

В качестве еще одного способа увеличения динамического диапазона предлагается высокочастотная пространственная фильтрация в оптической системе ИКС, осуществ­ляемая до накопления в ячейке зарядов, создаваемых оптическим изображением. По­скольку большинство естественных фонов, излучение которых вносит основной вклад в число накапливаемых зарядов, имеет обратно пропорциональный пространственной частоте или ее квадрату энергетический пространственно-частотный спектр, при высо­кочастотной пространственной фильтрации, выделяющей контуры изображений или малоразмерные излучатели, подавляются мощные низкочастотные составляющие спек­тра просматриваемой сцены.

Аналогичный процесс имеет место в зрительном аппарате человека и ряда живых существ. При этом подавляется (устраняется) постоянная составляющая потока фото­нов, образующих оптическое изображение (пьедестал сигнала), которая во многих слу­чаях превышает информативную переменную составляющую сигнала от сцены в не­сколько раз. Уже появились так называемые нейроморфологические ФПУ, в который обработка сигналов позволяет увеличить динамический диапазон более чем на 5 поряд­ков без необходимости изменять время накопления зарядов. Это очень важно для ИКС, которые должны следить за высокотемпературными излучателями, например, пламе­нем двигателей или истекающей из сопла ракеты струей газов, и одновременно за из­менениями гораздо меньших температур окружающей эти объекты среды.

Аналого-цифровое преобразование на выходе схемы считывания позволяет исполь­зовать известные преимущества цифровой обработки сигналов, в частности достаточно отработанные алгоритмы автоматического распознавания. Многоэлементные матрич­ные приемники позволяют получить почти изотропное разрешение в ортогональной системе координат, а также осуществлять неоднократную выборку сигнала за время нахождения изображения на одном элементе приемника.

Развитие ИКС третьего и последующих поколений будет в очень большой степени зависеть от прогресса в области аппаратного и программного обеспечения цифровой вычислительной техники. Определяющими факторами при этом являются производи­тельность процессора, объем памяти и сложность программного обеспечения.

Создание вычислительных систем, способных осуществлять 109 логических опера­ций в секунду, позволяет довести частоту кадров для крупноформатных ФПУ до 500 Гц и выше. Не менее важным является обеспечение быстрой обработки огромного объема информации в случае использования многодиапазонных (многоспектральных) ФПУ и ИКС. Основной задачей при этом остается достижение высокой однородности пара­метров и характеристик отдельных элементов МПИ и ФПУ, особенно при динамиче­ском режиме работы ИКС и быстрых изменениях фоно-целевой обстановки. Высказы­вается мнение, что традиционные и быстро прогрессирующие технологии кремниевых интегральных схем не смогут справиться с такими задачами и потребуются принципи­ально новые решения, например применение трехмерных структур схем считывания и обработки сигналов.

В заключение можно отметить тенденции развития систем отображения, являю­щихся неотъемлемой частью ОЭСВ, и в частности многих ИКС «смотрящего» типа. К ним следует отнести прежде всего продолжающееся вытеснение систем на базе ЭЛТ и электролюминесцентных панелей ЖК-дисплеями и дисплеями на органических све­тодиодах. Размеры ЖК-экранов продолжают увеличиваться при одновременном росте их разрешающей способности (более 8 пикселов на 1 мм) и быстродействия (сниже­ния времени переключения до 5 мс). Такой переход позволяет минимизировать габа­риты аппаратуры, исключить вредные излучения и уменьшить утомляемость опера­торов, связанную со строчной разверткой изображения в кинескопах, повысить ре­сурс аппаратуры. Создание таких дисплеев с угловым полем (полем зрения), близким к 180°, и улучшенной цветопередачей позволит заметно улучшить условия воспри­ятия изображения.

Объем продаж плоских мониторов достигает сегодня миллиардов долларов. Основ­ной вклад в него приходится на ЖК-дисплеи, затем следуют плазменные панели, а по­сле них - электролюминесцентные индикаторы. Потенциальный рынок плоских мони­торов не ограничен. По некоторым данным стоимость выпуска СОИ на ЖКД составила в 2001 г. около 2 млрд долл., а к 2005 г. ожидается ее рост до 17 млрд долл. Прогнози­руемый объем потребления плоских мониторов ЖКИ и плазменных панелей к 2005 г. составит 20...25 млрд долл. Разработкой и выпуском плоских мониторов за рубежом занимаются свыше ста фирм.

Рис. 14.8. Индивидуальный ИК прибор фирмы «Bullard»

In

Рис. 14.20. Фотоприемное устройство и400: а) тепловизионный модуль, б) ФПУ с обрабатывающим сигналом электронным трактом

[1] + 12/[ДД1+0,33/,)=]