Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ДВУХДИАПАЗОННЫЕ МАТРИЧНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В последние годы появились многочисленные публикации [52, 74, 91, 126, 127, 163, 170, 233, 255, 277 и др.], в которых приводится информация о разработках и исследова­ниях ОЭС, работающих одновременно в видимом или ближнем ИК - и в средневолно­вом (3...5 мкм) или длинноволновом (8... 14 мкм) ИК-диапазонах. Приемники, рабо­тающие в двух или более спектральных диапазонах, часто называют двух - и много­цветными.

В ИКС с такими приемниками очень важно четко разделять рабочие спектральные диапазоны, в которых они работают, т. е. не допускать так называемых спектральных перекрестных связей. В системах с двумя или более ФПУ, каждое из которых работает в своем спектральном диапазоне и конструктивно отделено от других путем примене­ния полосовых оптических фильтров, такое разделение достигается сравнительно про­сто. Однако, в ФПУ с совмещением в одной конструкции приемников, работающих в различных спектральных диапазонах, предотвращение наложения их спектральных ха­рактеристик часто составляет серьезную проблему.

Разделение спектральных рабочих диапазонов в одном ФПУ может быть осуществ­лено различными способами. Возможно разделение площади чувствительного слоя на отдельные участки, принимающие излучение в различных спектральных диапазонах. Такой способ спектрального разделения «по площади» сложен в технологическом от­ношении, обладает рядом других недостатков и поэтому используется редко. В на­стоящее время разделение на отдельные спектральные каналы осуществляется пре­имущественно «по глубине», а не «по площади», т. е. путем создания двух - и много­слойных фотоприемных полупроводниковых структур, отдельные слои которых поглоща­ют излучение в различных спектральных диапазонах.

При разбросе чувствительности 4,8 и 4,2%, соответственно. Для KPT-МПИ, работающе­го в диапазонах 3,0. ..4,2 и 4,2...5,2 мкм, значения АТп составили 18,1 и 8,3 мК при раз­бросе чувствительности 4,3 и 3,7%, соответственно. Значения АТп приведены для час­тоты кадров 60 Гц и диафрагменного числа объектива К = 3.

К сожалению, спектральные характеристики каждого из каналов двухдиапазонных KPT-приемников перекрываются, что создает трудности разделения каналов. Так, у приемников, описанных в [174], перекрытие спектральных характеристик происходит на уровне 0,4 максимумов чувствительности: на длинах волн -4,15 мкм (для приемника с диапазонами <2,0...4,25 и 4,1...5,3 мкм) и -5,3 мкм (для приемника с диапазонами <2,0...5,4 и 5,1... 11,0 на уровне 0,1).

Фотоприемное устройство, описанное в [277], имеет формат 64x64 с размерами пик­села 61 мкм. Там же сообщалось о разработке двухцветового матричного МПИ форма­та 128x128 с размерами пикселов менее 40 мкм. Изменение спектральных характери­стик производилось путем изменения напряжения смещения от -300 до +300 мВ. Рабо­чими спектральными диапазонами в ИКС, созданной на базе этого приемника, были

2.. .5 и 5...9 мкм. В области отрицательных напряжений смещения (до -300 мВ) на длине волны 3,94 мкм квантовая эффективность приемника была близка к 80%. При­мерно та же эффективность достигалась при положительном напряжении смещения (до +300 мВ) на длине волны 5,26 мкм. Такой МПИ имел удельную обнаружительную спо­собность D, сравнимую с D одноплощадочных приемников на базе КРТ.

Компания «AEG Infrarot GmbH» (Германия) планирует в 2004 г. выпустить на рынок двухдиапазонные ФПУ на базе КРТ с форматами 192x192 (частота кадров до 800 Гц) и 256x256 (частота кадров до 400 Гц). Размеры пикселов у обеих разработок планируют­ся одинаковыми - 56 мкм. Высокая частота кадров обеспечит эффективное использова­ние таких ФПУ в быстродействующих ИКС с двухцветовой селекцией целей, например в головках самонаведения ракет или противоракетных комплексах. В системе с этим МПИ будет осуществляться электронная компенсация значительной разницы величин потоков, приходящих на вход ИКС в каждом из рабочих диапазонов, т. е. приведение сигналов на выходе ФПУ к приблизительно одинаковому уровню, что необходимо для хорошего температурного разрешения и коррекции неоднородности чувствительности.

В [126] сообщается о разработке компанией «DRS Infrared Technologies» двухдиапа­зонного KPT-МПИ формата 320*240 для каждого из диапазонов (3,0...5,2 и

7.9.. .9.5 мкм) с единой интегральной схемой считывания формата 640x480. Размеры пикселов этой схемы составляют 25 мкм. Схема считывания имеет 4 различных выхода (по два на каждый диапазон), сигналы с которых поступают на АЦП. Время накопле­ния для диапазона 3,0...5,4 мкм выбирается примерно в 10 раз большим, чем для диа­пазона 7,9...9,5 мкм, что позволяет достичь примерно одинакового уровня сигналов обоих диапазонов. Это не позволяет оптимизировать отношение сигнал-шум в средне­волновом канале при работе с малыми временами накопления, для которых это отно­шение в длинноволновом канале близко к идеальному. Для диафрагменных чисел К = 3,0 при работе по излучателям с температурой 22...30° АТп составили 50...65 мК для диа­пазона 3,0... 5,2 мкм и 50...70 мК для диапазона 7,9...9,5 мкм [126].

Новая технология соединения матрицы чувствительных элементов со схемой счи­тывания (HDVIP™), разработанная компанией «DRS Infrared Technologies» и исклю­чающая применение для этой цели индиевых столбиков [279], позволяет осуществлять одновременный съем сигналов с КФД и ДФД форматов 320x240 с помощью схемы считывания формата 640x480 при одинаковом времени накопления для всех пикселов. Такое ФПУ оптимизировано для работы в длинноволновом диапазоне (7,9...9,5 мкм) с временем накопления 80 мкс. Для второго спектрального диапазона (3,0...5,4 мкм) применяется больший коэффициент усиления сигнала, снимаемого с КФД и поступаю­щего на вход аналого-цифрового преобра­зователя. Для неподвижных объектов воз­можно раздельно оптимизировать изобра­жения, образующиеся в каждом спек­тральном диапазоне. При такой оптимиза­ции значения ДТ), в них составили

20.. .30 мК.

Очень часто двухдиапазонные МПИ создаются на базе ФКЯ-приемников, из­готавливаемых из GaAs/AlGaAs и реже из InGaAs/InAlAs [74, 127, 133, 134, 170, 255].

В [127] описываются разработанные компанией «Lockheed Martin» с участием Исследовательской лаборатории Армии США (Army Research Laboratory) двух­диапазонные МПИ на ФКЯ (рис. 7.18), которые могут работать на двух длинах волн в средневолновом (3...5 мкм) или в длинноволновом (8.. .12 мкм) ИК - диапазонах, а также на двух длинах волн, одна из которых относится к области

3.. .5 мкм, а другая - к 8... 12 мкм. Форматы МПИ и ФПУ на их основе составляли 256x256, а для отдельных образцов - 640x480 пикселов (размер пиксела в [127] не со­общается).

Фотоприемные устройства работают по способу одновременного считывания сигна­лов, образуемых в узких спектральных диапазонах с максимумами на 5,0 и 8,6 мкм (рис. 7.19). Перекрытие спектральных диапазонов практически отсутствует, что выгод­но отличает ФКЯ от фотодиодов на базе КРТ. Однако рабочая температура, необходи­мая для обеспечения работоспособности и хорошей чувствительности (малого тем но­вого тока), у ФКЯ ниже (65 К и менее), чем у КРТ (77 К). Кроме того, у ФКЯ меньше квантовая эффективность по сравнению с КРТ.

Требуемая спектральная характеристика ФКЯ обеспечивается изменением толщины отдельных слоев ФКЯ, что при освоенной технологии молекулярно-лучевой эпитаксии
для материалов групп III-V, из которых изготавливаются ФКЯ, сегодня не представля­ет принципиальных трудностей.

Каждый пиксел двухдиапазонного приемника на ФКЯ имеет три выходных контакта - индиевых столбика, соединяющих его со схемой считывания. Одна ячейка этой схемы содержит отдельные предусилители и накопительные емкости для каждого из прием­ников, составляющих один пиксел МПИ. В электронном тракте ФПУ сигналы оцифро­вываются, с помощью аналого-цифрового преобразователя на 12 бит и считываются с частотой 1,2-107 пикселов в секунду, что обеспе­чивает частоту кадров 60 Гц. Время накопления 5*. т. зарядов при испытании ФПУ изменялось от 80 мкс до 16 мс [127].

Испытания двухдиапазонного приемника на ФКЯ показали, что при рабочей температу­ре 60 К средние значения ДГП, обусловленной временной составляющей шума ФПУ, составили

34 мК для длинноволнового ИК-диапазона (ДФКЯ) (при напряжении смещения 1В) и 30 мК для средневолнового ИК-диапазона (КФКЯ) (при напряжении смещения 2В). При рабочей темпе­ратуре 70 К и выше канал ДФКЯ становился не­работоспособным. В то же время КФКЯ имел ДГП <30 мК при рабочих температурах 90 К и менее. Время накопления зарядов при этом со­ставляло 8 мс, температура фона - 298 К, а диа - фрагменное число объектива системы К = 2,5.

Диапазон температур черного тела, используе­мого при испытаниях, составлял 22.. .30°С.

Геометрический шум был гораздо заметнее у КФКЯ, что объяснялось несколько большей неоднородностью чувствительности отдельных пикселов в этом диапазоне (X, = 5,1 мкм). В то же время доля пикселов с разбросом чувствительности в пределах ±20% для X = 5,1 мкм не превышала 0,26%, а для X = 9,0 мкм - 0,18%.

Образуемые перед пикселами в процессе изготовления ФКЯ дифракционные ре­шетки, которые необходимы для поглощения нормально падающего излучения (на рис. 7.18 не показаны), имели различную ориентацию штрихов относительно главных осей МПИ - 135° и 315° для ДФКЯ и 45° и 225° для КФКЯ.

В [231] сообщается о разработке ряда двухдиапазонных приемников на базе ФКЯ, работающих по способу одновременного считывания. Материалами чувствитель­ных слоев ФКЯ были ОаАэ с барьерами АЮаАв для длинноволнового ИК-диапазона и МЗаАБ с барьерами АЮаАв для средневолнового ИК-диапазона, обеспечивающие высо­кую чувствительность и однородность параметров отдельных пикселов. Приемники ра­ботают в различных спектральных диапазонах: на длинах волн 8,3 и 11,2 мкм (рабочие температуры 40...45 К); 5,1 и 8,5 мкм (рабочие температуры 65...70 К); 4,0 и 4,7 мкм (ра­
бочие температуры 90... 100 К). Верхние пределы указанных температур определялись приемниками, работающими на более длинных волнах (ДФКЯ).

Спектральные характеристики и зависимости максимальных значений токовой чув­ствительности от напряжения смещения для этих приемников приведены на рис. 7.20.

Формат приемников 256x256 пикселов с размерами 40x40 мкм; лишь у приемников, работающих на длинах волн 4,0 и 4,7 мкм, размеры пикселов составляли 50x50 мкм. Коэффициенты заполнения были близки у ДФКЯ к 80%, а у КФКЯ - к 85%.

Напряжение смещения у этих приемников составляло -1...-2 В. Время накопления за­рядов в каждой из двух секций ячейки схемы считывания, соответствующих двум спек­тральным рабочим диапазонам, было различным и изменялось от 4 до 10 мс. Частота кад­ров равнялась 60... 100 Гц. Системы с этими приемниками имели объективы с диафрагмен - ными числами К - 2 или К= 3; температура фона при испытаниях ФПУ составляла 295 К.

Максимальная чувствительность МПИ, работающего при температуре 40 К на дли­нах волн 11,2 и 8,3 мкм, составляла около 480 мА/Вт для ДФКЯ и 320 мА/Вт для КФКЯ при рабочей температуре 40 К и напряжении смещения -2 В. Типичные значения АТп были равны 43 мК для ДФКЯ и 23 мК для КФКЯ (при К= 3 и частоте кадров 100 Гц).

Для МПИ, работающих при температуре 65 К на длинах волн 8,5 и 5,1 мкм, макси­мальные чувствительности составили около 95 и 35 мА/Вт соответственно, а ДГП для обоих диапазонов была менее 35 мК (при К = 2 и частоте кадров 100 Гц).

Для МПИ, работающих при температуре 150 К на длинах волн 4,7 и 4,0 мкм, макси­мальные чувствительности были близки к 28 и 17,5 мА/Вт соответственно. Величина ДГп при рабочей температуре 85...90 К составила 32 мК для ДФКЯ и 41 мК для КФКЯ (при F= 3 и времени накопления 8... 10 мс).

Разработанные «Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology» крупно­форматные (640x512) ФКЯ-матрицы на базе GaAs/AlGaAs с периодом расположения пикселов 25 мкм имели ДТ„= 55 мК при температуре охлаждения 45 К. Матрицы могут работать в узких полосах внутри широкого диапазона 10... 16 мкм [74].

В [132, 134] приводятся параметры и характеристики двухдиапазонного ФКЯ фор­матов 320x240 и 640x480 на базе GaAs/AlGaAs, имеющего две зоны спектральной чув­ствительности с максимумами около 8,5 и 14,5 мкм. Испытания приемника при темпе­ратуре фона 300 К, при апертуре охлаждаемой диафрагмы F 12 и частоте кадров 30 Гц показали, что при температуре охлаждения 40 К значения АТп для диапазонов 8...9 и

14.. . 15 мкм составляют 36 и 44 мК соответственно. При температурах охлаждения 65 К и ниже ДТп для диапазона 8...9 мкм остается стабильной.

На базе ФКЯ формата 384x288 с размером пиксела 40 мкм компания «AEG Infrarot GmbH» планирует выпускать двухдиапазонные МПИ, предназначенные для ИКС обна­ружения замаскированных целей [98]. Максимумы спектральной чувствительности бу­дут иметь место на длинах волн 4,83 и 8,62 мкм. Узкие полосы диапазонов (0,7 мкм на X = 4,83 мкм и 1,8 мкм на X = 8,62 мкм на уровне 50%) позволяют осуществить хорошую двухцветовую селекцию целей. Система охлаждения на основе цикла Джоуля-Томсона должна обеспечить рабочую температуру 77 К.

МА/Вт

2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

X, мкм

Рис. 7.20. Спектральные характеристики 5/ и зависимости максимума токовой чувствительности 5”, _ ,

Определяемой по излучению черного тела с температурой 7^, от напряжения смещения для ДФКЯ (1) и КФКЯ (2) при Сах = 5,1 и 8,6 мкм (а), = 3,85 и 4,7 мкм (б) и ^ = 4,1 и 4,9 мкм (в) [231]

Разработанные компанией «ВАЕ Systems» двухдиапазонные ФКЯ-МПИ формата 256x256 с размером пиксела 39 мкм на базе 20-периодной структуры GaAs/AlGaAs с максимумом спектральной характеристики на 8,6 мкм и на базе InGaAs - слоев с барье­рами из AlGaAs с максимумом спектральной характеристики на 4,7 мкм используют

Схему считывания фирмы «Lockheed Martin Electronics and Missile Systems», потреб­ляющую менее 50 мВт и обеспечивающую частоту кадров до 180 Гц [127]. Емкость ячеек схемы считывания может изменяться от 2-106 до 2-107 электронов. Разработанные двухдиапазонные ФПУ при их охлаждении до 60 К, диафрагменном числе объектива! К =2,5 и времени накопления 8 мс обеспечивали ДТп = 35...60 мК на длине волны 8,6 мкм и 30...80 мК на длине волны 5,0 мкм при испытаниях в условиях фонов с тем­пературой +22°...+30°С.

В схеме считывания, разработанной по программе AMQWT (Advanced Multiple Quantum Well Technology) исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL), время накопления устанавливается одинаковым для всех пикселов, но значения накопительных

6 V

Емкостей могут изменяться от 10 электронов (при большом усилении) до 10 электронов (при малом усилении). Так как поток фотонов, поступающих от сцены с Г - 300 К, в диа­пазоне 8...12 мкм примерно в 10 раз больше потока в диапазоне 3...5 мкм, канал ДФКЯ имеет соответственно меньший коэффициент усиления, чем канал КФКЯ. Напряжения смещения используются для «балансировки» каналов.

Сравнение двухдиапазонных МПИ на базе КРТ и ФКЯ показало, что при работе ка­ждого из этих приемников в условиях, близких к оптимальным, нельзя отдать предпоч­тение какому-то одному из них [128]. Для ФКЯ такими условиями являются охлажде­ние до температур ниже 62 К и использование времени накопления порядка 8 мс. Для KPT-матриц температура охлаждения может быть выше (до 77 К), а режимы работы в длинно - и средневолновом ИК-диапазонах должны быть различными, т. е. для одного диапазона следует применять схему одновременного считывания, а для другого - по­следовательного. Считается, что двухдиапазонные ИКС ближайшего будущего потре­буют одновременной работы ФПУ каждого диапазона [128].