Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение сла­бых оптических сигналов

ВВЕДЕНИЕ ВСЕМ! ВСЕМ! ВСЕМ!

Разработчикам фотоприемников и фотоприемных устройств, разработчикам матричных фотоприемников с накоплением заряда, в том числе приборов с зарядовой связью, специалистам по ИК-технике,

Создателям на основе фотоприемников и фотоприемных устройств оптико-электронных систем обнаружения, наведения, слежения, теплопеленгадии, оптической локации, волоконно-оп- тических систем передачи, тепловизоров адресована эта книга.

Названных специалистов объединяет одна общая цель, од­но единое стремление — обнаружить минимально возможный оптический сигнал. Основными для фоточувствительных прибо­ров— фотоприемников (ФП) и фотоприемных устройств (ФПУ) — являются пороговые характеристики, определяющие значения предельно малых оптических сигналов, которые они способны зарегистрировать на уровне шумов. Пороговые ха­рактеристики определяют важнейшие тактико-технические па­раметры всей оптико-электронной системы, такие как даль­ность действия, разрешение, точность. За тактико-технические параметры оптико-электронной системы несут ответственность многие ее компоненты, но самая большая ответственность, по признанию самих разработчиков оптико-электронных систем, ложится на ФП [1]. Уже к концу 60-х годов физикам и техно­логам удалось решить основные принципиальные вопросы по созданию ФГ1 (во всяком случае одно - и малоэлементных): ФП перекрывали требуемые в большинстве систем оптические диапазоны (0,4 ... 2, 2 ... 3, 3 ... 5, 8 ... 14 мкм), детектирова­ли оптический сигнал почти без потерь (квантовый выход приближался к значениям 0,7... 0,9), а уровень шумов был близок к минимально достижимому. Он ограничивался либо флуктуациями теплового фона (как в ИК-фотоприемниках), либо дробовыми шумами темнового тока, меньшими шумов последующего усилителя (как в кремниевых фотодиодах).

Однако с достижением столь высокого уровня параметров, близкого к теоретическому пределу, дальнейшее развитие фи­зики и техники фоточувствительных приборов отнюдь не оста-

Новилось. Напротив, рубеж 60—70-х годов стал началом ново­го, стремительного этапа в развитии ФП. И связано это было со становлением микроэлектроники. Гибридная и твердотельная технологии позволили объединить в одном корпусе и даже на одном кристалле ФП и микросхему обработки фотосигнала. Так возник новый класс приборов, названный фотоприем­ными устройствами (ФПУ). Если ФП выполняет одну функцию — детектирует оптический сигнал, преобразуя его в электрический, то ФПУ выполняет последующие функции по обработке сигнала: как минимум усиление, в ряде устройств — фильтрацию, а в многоэлементных — и коммутацию. Сегодня существует множество самых различных типов ФПУ; в их состав включают блоки, выполняющие и другие функции по обработке сигнала (например, сравнение с пороговым уровнем), а также вспомогательные блоки для обеспечения заданных ре­жимов работы ФП.

Перечисленные функции по обработке фотосигнала раньше выполнялись электронными блоками оптико-электронной систе­мы. Их перепоручение ФПУ открыло новые возможности не только по микроминиатюризации, но и по улучшению пороговых характеристик (§ 1.1, 1.2, 2.5). Решая основную задачу реги­страции предельно слабых оптических сигналов, разработчик ФПУ должен руководствоваться теорией обнаружения. Предметом этой теории является синтез схем обработки сигна­ла, выбор оптимальной (квазиоптимальной) частотной харак­теристики устройства, наилучшим образом выделяющий полез­ный сигнал из его смеси с шумом, определение правила при­нятия решения: пришел или не пришел на вход полезный сиг­нал.

Что предлагает нам литература по ФП, ФПУ и теории об­наружения? Обширна библиография по ФП, фоточувствитель - ным матрицам, а также по обнаружению и измерению пара­метров радиосигналов. Собственно ФПУ и обнаружению опти­ческих сигналов посвящены лишь единичные издания. Нетруд­но их перечислить: это монография по схемотехнике ФПУ [2], справочник, фиксирующий состояние отечественных разработок ФПУ на 1987 г. [3], а также ставшая уже классической моно­графия Н. С. Шестова «Выделение оптических сигналов на фо­не случайных помех» [4]. Монография Н. С. Шестова стала теоретической основой проектирования оптико-электронных си­стем. Однако она вышла в 1967 г. до появления основных типов ФПУ, и, естественно, в ней не могла быть учтена специфика обнаружения слабых оптических сигналов с их помощью.

Настоящая книга призвана ликвидировать этот пробел. Об­щей задачей ФПУ, описываемых в книге, является регистрация предельно слабого излучения. Ради этого создаются ФПУ, ра­ди этого написана настоящая книга: ее основным содержа­нием является изложение основ теории обнаружения оптиче­ских сигналов в приложении к ФПУ. Рассматриваются прак­тически все типы пороговых ФПУ —от одноэлементных (на основе фоторезисторов — ФР, фотодиодов — ФД, лавинных фо­тодиодов — ЛФД) до многоэлементных, В ТОМ числе с накоп­лением заряда; от этого типа приборов в название книги де­легирован самый популярный из них — прибор с зарядовой связью (ПЗС). Учтена специфика ФПУ: типовые спектры шу­мов этих устройств, влияние на обнаружение числа каналов, реальная форма оптического сигнала.

Автор пытался сделать книгу максимально полезной и нуж­ной самому широкому кругу разработчиков ФПУ и оптико­электронных систем, выбрать популярную и доступную форму изложения материала, избежать нагромождения формул и ос­новное внимание уделить физике и физической интерпретации получаемых результатов.

В строгом изложении современная теория обнаружения от­носится к одному из сложных разделов статистической радио­техники, поэтому ради провозглашенных выше принципов ча­сто приходилось привлекать упрощенные модели и жертвовать строгостью математических выкладок, но не в ущерб физике и конечным выражениям. Почти во всех разделах приводятся численные оценки, находятся простые аппроксимации либо строятся графики, полезные для инженера-проектировщика ФПУ.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность д-ру техн. наук И. И. Таубкину, по инициативе которого был подготовлен курс лекций, ставший катализатором книги.

Выражаю глубокую признательность добровольцам, риск­нувшим первыми испытать на себе отдельные главы рукопи­си— канд. техн. наук Н. В. Кравченко, П. Е. Хакуашеву, канд. физ.-мат. наук Ю. Р. Винецкому, а также В. М. Юнгер - ману, Ю. М. Эскину. Глубоко благодарен П. Е. Хакуашеву, М. А. Полунину, Ю. М. Эскину, А. М. Гуторенко за выполне­ние численных расчетов и всем, кто содействовал появлению книги.

Последний параграф (§ 5.2) написан по материалам статьи И. И. Таубкина, М. А. Тришенкова и Н. В. Васильченко, тема которой и ее основная разработка принадлежат И. И. Тауб­кину.