Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ С МАТРИЧНЫМИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Современные фотоприемные устройства (ФПУ) с двумерными МПИ (фотоматрица­ми) состоят из структурированного, т. е. разделенного на отдельные элементы (пиксе­лы), фоточувствительного слоя (собственно МПИ) и электрически связанной с ним системы считывания (съема) и первичной обработки сигналов, образующихся на от­дельных элементах при их облучении потоком, собираемым оптической системой (объ­ективом). Фотоприемные устройства могут выполняться по гибридной технологии, ко­гда каждый элемент фоточувствительного слоя соединяется через свой контакт с от­дельной ячейкой схемы считывания, т. е. собственно приемник излучения и схема счи­тывания формируются в различных объемах (кристаллах, чипах, на разных подложках), или по монолитной технологии, когда фоточувствительные элементы и ячейки схемы считывания формируются в одном объеме [22,23, 33, 39, 51, 116, 136, 151, 184].

В ФПУ без накопления, в которых регистрируются мгновенные значения сигналов, поступающих на отдельные чувствительные элементы, необходимо одновременно под­ключать все элементы к своим каналам усиления и считывания, осуществляемого па­раллельно по всем каналам. В этом случае число выводов приемника должно быть не менее Х*У +1, где Хх У - формат МПИ (X - число строк, а Г - число столбцов матрич­ного МПИ). Это весьма усложняет конструкцию МПИ из-за большого числа близко расположенных элементов (пикселов). Несмотря на принципиально возможное высокое быстродействие таких ФПУ для них характерны сравнительно невысокая чувствитель­ность, паразитные взаимные связи между отдельными элементами, сложность комму­тации очень малых сигналов, возникающих в этих элементах, и другие недостатки.

В большинстве современных ИКС «смотрящего» типа используются ФПУ с накоп­лением сигналов (рис. 7.1). Каждый из чувствительных элементов 1 матричного МПИ присоединен к накопителю зарядов 2 - емкости, обеспечивающей накопление зарядов от данного элемента за промежуток между его опросами. Через предусилители 3 и

5 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Мультиплексор 4 сигналы передаются на электронный тракт, т. е. заряд накопителей считывается через время /н. Если время смены изображения (время кадра) равно /к, а число элементов пространственного раз­решения в угловом поле (в кадре) равно X* У, то тактовая частота мультиплексора /г = (Хх-У)/^. Для матричных МПИ /н < гк Чувствительные элементы МПИ могут быть присоединены к малошумящим пре­дусилителям, которые в этом случае иг­рают роль накопителей заряда. Поскольку обычно накопитель общий для строки или столбца, то период накопления ограничи­вается не длительностью кадра гк, а време­нем считывания строки или столбца.

Одни из первых матричных ФПУ для работы в ИК-области были выполнены в виде единой гибридной конструкции, состоящей из кристалла матрицы фоточувствительных элементов и интегральной схемы считывания (ИСС) сигналов с этих элементов и их первичной обработки. Каждый из фоточувствительных элементов соединяется с ИСС, которая в простейшем случае служит для съема сигналов, их мультиплексирования и вывода на один выход.

Основным фактором, ограничивающим время накопления сигнала в ФПУ с накоп­лением при работе в длинноволновом ИК-диапазоне (8... 14 мкм), является лимитиро­ванная емкость ячейки накопления зарядов, поскольку количество этих зарядов в этом диапазоне определяется сравнительно мощным излучением, создаваемым фоном, на­блюдаемым ИКС, излучением окружающей среды и элементов конструкции. Сигнал, создаваемый фоном, может быть настолько велик, что во избежание переполнения яче­ек накопления приходится значительно сокращать время накопления. При этом можно использовать дополнительный затвор на входе ИСС, который разделяет накопленный заряд и при превышении определенного уровня «сливает» часть заряда через дополни­тельный диод. Тем самым уменьшается влияние фона. Охлаждаемые ФПУ (МПИ с ИСС) монтируются внутри криостата и могут иметь охлаждаемую диафрагму для огра­ничения потока фонового излучения.

В другой разновидности конструкции ФПУ на МПИ монолитные чувствительные элементы и схема считывания формируются в едином технологическом цикле в общем объеме полупроводника, обычно кремния. Такие ФПУ дешевле интегральных и благо­даря отсутствию отдельных соединений и термических рассогласований между МПИ и схемой считывания более надежны. Вместе с тем из-за необходимости размещать в од­ной плоскости чувствительные элементы и схему считывания размеры первых умень­шаются. Монолитные ФПУ работают не во всех спектральных диапазонах, так как не во всех фоточувствительных материалах можно формировать схемы считывания.

Для расширения функций обработки сигналов внутри ФПУ эффективной оказалась предложенная в 80-е годы так называемая 2-технология: несколько тонких керамиче­ских плат с электрическими выводами собираются в пакет, на торец которого наносятся фоточувствительные элементы МПИ. Считывание сигналов с этих элементов выпол­няют аналоговый процессор и мультиплексорные ИСС, расположенные на платах, че­рез электрические выводы, выходящие на торцы плат. Такая конструкция позволяет размещать на поверхностях плат большое число ИСС, необходимых для разнообразной обработки сигналов. Керамические платы могут быть заменены непосредственно ИСС.

По принципу считывания сигналов с отдельных элементов приемника ФПУ можно разделить на два класса: с последовательным переносом (последовательной выборкой) зарядов и с координатной (произвольной) выборкой. Примерами первых являются схе­мы считывания сигналов с МПИ на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС) - строч­ная, кадровая и строчно-кадровая схемы фотоприемных ПЗС (ФПЗС), а вторых - мат­рицы на базе приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) [26, 50, 61 ].

При строчной схеме считывания (рис. 7.2,а) на каждую из строк оптической секции

3 (секции накопления) через ключи 2 выбора строк, управляемые регистром сдвига 1, работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаются импульсы сдвига заря­дов. Сигналы из каждой горизонтальной строки последовательно направляются в вер­тикальный выходной регистр 4, управляемый генератором сдвигающих импульсов, и далее в усилитель. Поскольку заряды от каждой строки проходят через разное число элементов (разрядов) выходного регистра, то для получения видеосигнала, соответст­вующего распределению облученности по поверхности оптической секции, сигналы с отдельных строк должны вводиться в систему отображения с задержкой по времени, пропорциональной номеру строки.

В схеме кадрового считывания весь кадр, образующий изображение, по столбцам, как это показано на рис. 7.2Д или по строкам после завершения процесса накопления зарядов в секции 1 переносится в секцию хранения 2. Затем в секции 1 снова идет на­копление зарядов, а в секции хранения 2 происходит параллельный перенос зарядов по

1 2

-Л---- X

Столбцам в выходной регистр 3, т. е. происходит последовательный вывод столбца изо­бражения. Так как заряды от каждого элемента области накопления, соответствующие освещенностям этих элементов, проходят через области расположения других «элемен­тарных» зарядов, то к каждому из них добавляется заряд, генерируемый под воздейст­вием облученности в предыдущих элементах. Тем самым изображение смазывается,

Что проявляется в виде тянущихся за изо­бражением «хвостов», амплитуда которых уменьшается с ростом отношения времени накопления к времени переноса (считыва­ния) столбца или строки.

При строчно-кадровой схеме считыва­ния изображения (рис. 7.2,в) область нако­пления состоит из столбцов (или строк) фоточувствительных элементов 1, между которыми находятся защищенные от па­дающего на эту область потока сдвиговые регистры 2. Заряды накапливаются в фо­точувствительных элементах и затем пере­носятся в соседние ячейки сдвиговых ре­гистров 2. Во время накопления следую­щего кадра эти заряды из 2 выносятся в выходной регистр 3. Время накопления в такой схеме при одинаковой частоте счи­тывания кадра в два раза больше, чем в схеме кадрового переноса, но пространст­венное разрешение, или эффективность использования падающего потока, хуже из-за необходимости размещать в плоскости изображения экранированные сдвиговые реги­стры.

Общий недостаток схем считывания на базе ПЗС - невозможность произвольной выборки сигналов с отдельных элементов приемника.

В одной из схем работы ФПУ с координатной выборкой (рис. 7.3) каждый элемент приемника (пиксел) 1 представляет собой совокупность фотодиода (чувствительного слоя пиксела), емкости, накапливающей заряд, и МОП (металл-окисел-полупровод- ник)-ключа, управляемого задающим генератором 2 через горизонтальную шину 3. При замыкании ключа заряд с соответствующего пиксела по вертикальной шине 4 через предварительный усилитель поступает в аналоговый мультиплексор 5, осуществляю­щий выборку столбцов матрицы и передачу сигнала на вход усилителя 6. Напряжение смещения Усы подается на чувствительные элементы по шинам 7.