Инфракрасные системы «смотрящего» типа

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ НА БИМОРФНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ОПТИЧЕСКИМ СЧИТЫВАНИЕМ И МИКРОКОНСОЛЬНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ ПРИЕМНИКИ

В последние годы появились сведения о разработках принципиально новых неохла- ждаемых МПИ на биморфных элементах с оптическим считыванием (МПИБЭОС) и систем на их основе [154, 216].

Поперечное сечение одного из пикселов такого МПИЭОС показано на рис. 7.14. Часть ИК-излучения, пройдя через пленку 4, отражается и поглощается в резонаторе, образуемом пленкой 4 и отражателем 5. Подбирая толщину воздушного промежутка между 4 и 5, можно обеспечить полосу поглощения такого оптического резонатора с

Центром на длине волны, в 4 раза боль­шей, чем толщина промежутка. Из-за по­глощения излучения происходит нагрев биморфа 3, состоящего из двух тонких пленок пьезоэлектрических материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Ножка 2 термически изоли­рует биморф и другие части чувствитель­ного элемента от подложки 1. В конструк­ции, описанной в [154], ножка длиной 86 мкм изготавливалась из пленки тол­щиной 2800 А. Биморф длиной 57 мкм со­стоял из пленки А1 толщиной 1000 А и пленки SiN толщиной 2800 А. Погло­щающая пленка 4 изготавливалась также из 8114, а отражающая пленка 5 - из А1, обладающего хорошей отражательной способ­ностью как в видимой, так и в ИК-частях спектра. Для поглощения излучения в области около 10 мкм толщина промежутка между 4 и 5 выбиралась близкой к 2,7 мкм.

Попадая на чувствительный элемент, ИК-излучение нагревает последний, в резуль­тате меняется кривизна отражателя 5. Если подсветить его видимым излучением с на­ружной стороны, то, применяя различные схемы и способы оптического считывания (интерференционные, поляризационные, фазово-разностные, конфокальные и др.), можно визуализировать ИК-изображение, поступающее на вход всего МПИ.

Авторами [154] при исследовании такого МПИ формата 296x194 пикселов размером 55x55 мкм был выбран метод визуализации с помощью точечных отверстий (диафрагм малых размеров). Структурная схема, реализующая этот метод, приведена на рис. 7.15. ИК-изображение формируется объективом 1 на чувствительном (поглощающем) слое МПИ 2. Зеркальный (отражающий) слой МПИ подсвечивается светодиодом б и объек­тивом 3. Свет от светодиода 6 через первую «точечную» (диаметром 2 мм) диафрагму 4, расположенную в фокальной плоскости объектива 3, равномерно освещает всю зер­кальную поверхность МПИ. Каждый элемент этой поверхности (пиксел) имеет наклон, соответствующий температуре пиксела поглощающего слоя МПИ. Лучи, отраженные от зеркальных пикселов, пройдя через объектив 3, формируют изображения в виде световых пятен вблизи второй «точечной» диафрагмы 5. Число таких пятен соответствует числу пикселов МПИ. Лучи, образующие эти пятна и прошедшие через диафрагму 5, объективом

7 собираются на приемник системы регистрации видимого изображения 8, которым в экспериментах, описанных в [154], служила ПЗС-камера. Вместо нее можно использо­вать другие регистрирующие устройства, в том числе и глаз, вооруженный окуляром.

При образовании на чувствительном слое МПИ изображения отдельные пятна, соответствующие пикселам приемника, из-за разных углов наклона отражателей занимают различные положения и по - разному перекрываются второй точечной диафрагмой. Поэтому потоки, отражаемые отдельными пикселами, после прохожде­ния этой диафрагмы также различаются.

На чувствительном слое ПЗС в видимой области спектра строится изображение, соот­ветствующее ИК-изображению на чувствительном слое МПИБЭОС. В экспериментальной установке, описанной в [154], использовался светодиод зеленого свечения (А = 525 нм). Объектив 3 (рис. 7.15) имел фокусное расстояние 50 мм и диафрагменное число К= 1,4, а объектив 2 - 55 мм и К = 2,8. Диаметры диафрагм 4 и 5 были равны 2 мм. Потоки, пройдя диафрагму 5, изменялись почти прямо пропорционально углу наклона зеркаль­ного пиксела МПИ в диапазоне 20...90% максимального значения потока, проходящего через эту диафрагму при нулевом наклоне. При коэффициенте поглощения излучения 0,63 крутизна зависимости угла наклона зеркала от температуры пиксела МПИ соста­вила —1,810 3 угл. град/К. Чувствительность всей системы, определяемая изменением напряжения на выходе ПЗС при изменении температуры черного тела, по которому она калибровалась, в диапазоне 285...335 К была постоянной. При увеличении коэф­фициента поглощения до 0,9 она может составить - Л, А ■ 10-3 угл. град/К.

Компания «Sarcon Microsystems, Inc.»

(США) сообщила по Интернету о новом МПИ неохлаждаемого типа - микрокон - сольном емкостном приемнике и ИК - камере на его основе. Схема работы од­ного элемента такого МПИ показана на рис. 7.16. Основу конструкции составляют три тонких пластины: 1 - нижняя опорная,

2 - средняя и 3 - упруго закрепленная микроконсоль, на которую попадает излу­чение. Емкость CR между жестко закреп­ленными пластинами 1 и 2 в процессе ра­боты приемника остается постоянной. Ем­кость Cs между пластинами 2 и 3 при нагреве последней меняется в зависимости от ее изгиба, что нарушает баланс между Cr и Cs и вызывает изменение сигнала, снимаемого с пластины 2. Для гашения возникающих в такой системе механических колебаний ис­пользуется специальная резонансная цепь с временем затухания порядка 5 мс, а на пла­стины 1 и 3 подается напряжение питания в виде импульсов, равных по амплитуде, но

Противоположных по знаку. Конструкция снабжена термоэлектрической системой ста­билизации температуры и заключена в вакуумированный дьюар. Для периодического перекрывания изображения перед таким МПИ помещается затвор, которым управляет микропроцессор, одновременно управляющий соответствующим приводом объектива и контролирующий постоянство фокусировки.

Сообщается, что при расстояниях между пластинами порядка 0,5 мкм крутизна из­менения прогиба составляет 0,12 мкм/К в диапазоне температур 20...40°С, что соответ­ствует изменению чувствительности (разбалансу емкостей) в 24% /К.

Как показали испытания описанного МПИ, его чувствительность (температурное разрешение) на порядок выше, чем у всех других неохлаждаемых приемников, и равна чувствительности охлаждаемых фотонных приемников (АТп « 3 мК). Это позволяет вдвое уменьшить размеры пикселов, например с 50 до 20...30 мкм, и тем самым повы­сить качество получаемого изображения и временное разрешение для движущихся объ­ектов, увеличить динамический диапазон принимаемых сигналов до 105 и более, что соответствует разрешению 16... 17 бит.

Сегодня созданы образцы ИКС на таких МПИ формата 320x240. Ожидается, что в следующем их поколении при той же стоимости изготовления, что и сегодня, формат достигнет 640x480 пикселов.