Стартовая >> Архив >> Тепловизоры

Тепловизоры с самосканированием - Тепловизоры

Оглавление
Тепловизоры
Зрительное восприятие тепловизионного изображения
Тепловизоры с оптико-механическим сканированием
Сканирующие устройства и траектории сканирования
Схемы и параметры тепловизоров с оптико-механическим сканированием
Переносной тепловизор КТА-1
Тепловизор «Статор-1»
Тепловизор Вулкан
Тепловизор Тайга-2
Тепловизоры фирмы AGEMA
Тепловизоры Японии
Тепловизор Бофорс
Тепловизоры AGA
Параметры тепловизоров
Устройства регистрации и отображения видеосигнала
Тепловизоры с электронным сканированием
Видиконы
Пириконы
Схемы тепловизоров с электронным сканированием
Тепловизоры с термиконом
Параметры и характеристики тепловизоров
Эталонные инфракрасные излучатели
Измерение температурных полей
Применение тепловизоров
Неразрушающий контроль изделий электронной техники
Снятие тепловых карт местности
Предупреждение столкновений кораблей
Тепловизоры с самосканированием
Тепловизионные системы модульного типа
Тепловизоры с ЭВМ

Глава 6
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
22. тепловизоры с самосканированием

Основной блок телевизионной аппаратуры — формирователь видеоизображения — содержит вакуумный прибор с накаливаемым катодом и сложной системой управления электронным лучом. Попытка замены электровакуумных телевизионных передающих трубок объединением фоточувствительной матрицы с электронным устройством, обеспечивающим последовательный опрос ЧЭ матриц, делались уже давно, но успеха не имели. Принцип работы и сложная технология не позволяли использовать матрицы с большим числом ЧЭ, сравнимые с телевизионными трубками. Только изобретение приборов с зарядовой связью (ПЗС) позволило объединить фоточувствительную матрицу и процессор и реализовать идею самосканирующего твердотельного телевизионного устройства, аналогичного видикону. При использовании такого устройства на порядок снижаются габаритные размеры и масса формирователя изображения, отпадает необходимость в отклоняющих и фокусирующих системах, источнике высоковольтного напряжения; появляются высокая геометрическая точность изображения, жесткая привязка к координате, безынерционность.
Следует различать фоточувствительные приборы с переносом заряда (ФППЗ) и с зарядовой инжекцией (ФПЗИ)*. Основные принципы работы этих приборов распространены на устройства ИК диапазона спектра электромагнитных волн. В результате появились так называемые тепловизоры с самосканированием, разработка которых в настоящее время ведется весьма интенсивно.
Современный самосканирующий ФППЗ, выполненный на ПЗС, представляет собой кремниевую пластину, на которой содержится несколько сотен тысяч миниатюрных МОП-конденсаторов. На поверхность пластины проецируется с помощью объектива изображение наблюдаемого объекта. Поглощеннее фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар, неосновные носители которых накапливаются в элементах ФППЗ (МОП-конденсаторах). Количество накопленных зарядов пропорционально числу попавших фотонов, т. е. локальной освещенности (облученности). Благодаря этому распределение зарядов в МОП-конденсаторах адекватно распределению освещенности в оптическом изображении объекта. Изменяя смещения на электродах МОП-конденсаторов, заряды перемещают поочередно к выходу ФППЗ, осуществляя электронное сканирование. Так образуется видеосигнал, который используют для модуляции электронного луча в кинескопе. При наличии синхронизации между движением луча и перемещением зарядов ПЗС на экране кинескопа появляется изображение наблюдаемого объекта.
Процесс перемещения зарядов к выходу ФППЗ осуществляется регистром переноса (рис. 6.1). Каждый элемент регистра образован тремя электродами, соединенными с соответствующими шинами, чем обеспечивается направленный перенос зарядовых пакетов. Предположим, к первой фазе Ф1 приложен высокий положительный потенциал и под всеми первыми электродами накоплены заряды. Если теперь подать высокий потенциал на вторую фазу Ф2, а с первой Ф1 его снять, то потенциальные ямы под первыми электродами «схлопнутся», а под вторым — образуются..Заряды будут перетекать слева направо, так как на третьей фазе ФЗ (так же, как и на первой) потенциал низкий.


*Термины согласно ГОСТ 25532—82

Трехтактный регистр переноса
Рис. 6.1. Трехтактный регистр переноса:
1 — окисел; 2 — кремний («-тип); 3 — электроды; 4 — области стог-диффузии (гс-тип); 5 — канал переноса

После накопления зарядов под электродами второй фазы Ф2 высокий потенциал с нее снимается и подается на третью. Заряды перетекут в пустые ямы справа; налево они двигаться не будут, так как на электродах первой фазы заряд остается низким.

Направленность переноса зарядов обеспечивается также стоп-каналами, которые не позволяют зарядовым пакетам растекаться в стороны и направляют их строго вдоль регистра.
Матричный ФППЗ
Рис. 6.2. Матричный         ФППЗ (л = = т = 10):
1 — выходной регистр;    2 —- выходное  устройство

Стоп-каналы представляют собой области, легированные сильнее, чем кремний в самом канале переноса. При приложении к электродам напряжения смещения потенциальные ямы образуются только в канале переноса (чем выше концентрация примеси в кремнии, тем меньше глубина потенциальной ямы). Зарядовые пакеты под электродами сдвигаются (благодаря переключению потенциалов фазы к выходу регистра. Здесь они преобразуются в импульсы напряжения или тока, которые после усиления подаются на видеоконтрольное устройство.
Световая инжекция неосновных носителей может происходить не только при попадании в кремний фотонов с энергией, достаточной для переброса носителя через запрещенную зону, но и в результате термогенерации. В кремнии всегда генерируются пары электрон—дырка и, если существует электрическое поле, то под соответствующими электродами эти пары будут разделяться на основные и неосновные носители. Темп накопления последних определяется температурой, качеством кристалла кремния и свойствами поверхности раздела кремний-диэлектрик. Накопление в потенциальных ямах термогенерированных носителей является паразитным процессом; отношение заряда этих носителей к времени накопления названо тем- новым током.
Для того чтобы сформировать видеосигнал от двумерного изображения,  применяют матричный фоточувствительный прибор с переносом заряда (матричный ФППЗ,) содержащий n линейных светочувствительных регистров по m элементов (рис. 6.2). Каждый светочувствительный регистр соединен  с элементом регистра переноса, служащего только для вывода зарядовых пакетов из матрицы. Выходной регистр закрыт непрозрачным экраном.
Если изображение наблюдаемого объекта спроецировать на матрицу, в элементах светочувствительных регистров накапливаются зарядовые паке ты, которые переносятся в подготовленные потенциальные ямы регистра переноса (например, под электроды второй фазы). Приняв зарядовые пакеты регистр переноса передвигает их к выходу, пока полностью не очистится затем в регистр переноса перетекут из светочувствительных регистров следующие заряды и цикл переноса их к выходу будет повторяться до тех пор, пока не очистятся все светочувствительные регистры и матрица окажется готовой к новому такту накопления. В действительности, работа матричного ФППЗ гораздо сложнее и более подробно рассмотрена в специальной литературе.

Матричные ФППЗ
Рис. 6.3. Схема соединения чувствительных элементов матрицы со входом ПЗС при прозрачной (а) и непрозрачной (б) для ИК излучения подложке: 1 — чувствительный элемент; 2 — ИК излучение; 3 — прозрачная для ИК излучения  подложка; 4 — вход ПЗС; 5 — просветляющее покрытие
Рис. 6.4. Матричные ФППЗ с переносом кадра (а) и со строчно-кадровым переносом (б):
1 — стоп-каналы; 2  — секция хранения; 3 — приемная секция (накопления); 4 — чувствительный элемент матрицы; 5 — электроды; 6 — выходное устройство; 7 — выходной регистр переноса; 8 — регистры переноса, защищенные от излучения

Инфракрасные матричные ФППЗ подразделяются на два основных класса: гибридной и монолитной структуры. В матричных приборах гибридной структуры преобразование оптического сигнала в электрический и последующая обработка последнего происходят раздельно в двух разных частях приемника. В матрице фоточувствительных элементов производится детектирование оптического сигнала, а в кремниевых ПЗС-структурах — обработка выходных сигналов отдельных элементов матрицы. Это позволяет раздельно оптимизировать детектирующие и считывающие структуры.
В матрице чувствительных элементов используются узкозонные полупроводники (InSb, Cdx Hg, jtTe, PbSnTe, PbS, PbSe и др.), легированный кремний (Si : In, Si : Ga и др.) либо пироэлектрики. Выбор того или иного материала определяется необходимой областью спектральной чувствительности, эксплуатационными требованиями по рабочей температуре, геометрией  фоточувствительных элементов и т. п.
Подложки, на которые наносят фоточувствительный материал, могут быть прозрачными и непрозрачными для ИК излучения (рис. 6.3). В случае непрозрачной подложки излучение попадает на фоточувствительные элементы
через окна в кремниевом кристалле. Для этого в кремниевой ПЗС-структуре должна быть удалена металлизация из окон, а их поверхности должны быть оптически отполированы и просветлены. Оптические перекрестные помехи, возникающие из-за большого числа отражающих поверхностей, несущественны при тонких слоях фоточувствительного материала. Оптимальная толщина фоточувствительного слоя порядка 10 мкм.
После преобразования в ПЗС сигнала ИК чувствительного элемента в зарядовый пакет работа многоэлементного гибридного приемника ИК излучения ничем не отличается от работы многоэлементных преобразователей видимого излучения и определяется теми же параметрами и характеристиками [83].
Характерной особенностью матричных ФППЗ гибридной структуры является наличие секции хранения или памяти, равной по площади приемной секции и используемой следующим образом. В приемной секции А (рис. 6.4,а) происходит накопление информации (в течение полукадра). По окончании периода накопления зарядовое изображение кадра быстро сдвигается из приемной секции в секцию памяти Б, экранированную от воздействия излучения. (Для уменьшения смазывания изображения при сдвиге время переноса должно быть значительно меньше периода накопления). После этого в приемной секции начинается накопление следующего кадра, а зарядовые пакеты из секции хранения построчно переводятся в выходной регистр переноса и далее — в выходное устройство.
Наряду с матрицами с переносом кадра в область хранения применяют матрицы со строчно-кадровым переносом, в которых область накопления состоит из вертикальных столбцов, между которыми вставлены защищенные от излучения вертикальные регистры переноса (рис. 6.4,6). Заряды в фоточувствительных элементах накапливаются в течение кадра и затем параллельно переносятся в соседние ячейки регистров переноса. В период накопления зарядов следующего кадра в ЧЭ зарядовые пакеты из регистров переноса переводятся в выходной регистр и далее — в выходное устройство.
Фирмой «Хьюз Эркрафт» разработан миогоэлементный ПИ в виде линейки 2 х 32 фоторезисторов на основе Cd* Hgi  для диапазона 8.,.12 мкм по технологии краевой металлизации. Применение такого приемника в тепловизоре с оптико-механическим сканированием и последовательным съемом информации позволило получить изображение, сравнимое с телевизионным изображением, имеющим 350 X 600 элементов разложения.
В 1979 г. изготовлена матрица 32 X 32 фотовольтаических приемников на основе InSb для тепловизора с самосканированием. Соединение фоточувствительной матрицы с ПЗС регистром осуществлялось с помощью индиевых столбиков с прямой инжекцией фототока в ПЗС.
Фирмой «Хонейвелл» создан гибридный приемник с матрицей ЧЭ на основе Cd Hgi— *Те и кремниевого ПЗС мультиплексора. Последний состоит из 32 х 32 ячеек размером 100 X 100 мкм. Фотодиоды формируются на поверхности ПЗС мультиплексора с помощью фотолитографии. На входе каждого канала мультиплексора предусмотрены схемы вычитания фонового заряда, защиты от переполнения потенциальной ямы сигналом от интенсивного- точечного источника излучения, а также накопления сигнального заряда за время кадра. В конце каждого кадра накопленный заряд инжектируется на  вход мультипексора и считывается за время следующего кадра.
Практика показала, что параметры гибридных многоэлементных приемников ИК излучения можно оценивать по параметрам собственной матрицы   ПЗС, так как ввод сигнала от ЧЭ вызывает ухудшение отношения сигнал/ шум считывающей схемы в пределах 10...20 % [2].
Французская-фирма «Томсон» создала гибридный приемник с фоточувствительными элементами на основе - Pb0,8 Sn0,2 Те для диапазона длин вол» 8...12 мкм. Фотодиоды с приемной площадкой 100 X 85 мкм формировались, методом жидкофазной эпитаксии на кремниевой подложке с ПЗС структурой. Обнаружительная способность на длине волны 10 мкм и частотах 2 и 10 кГц составляет 2 • 1010 и 3 • 1010 см • Вт""1 • Гц1/2 соответственно [13-1].
Специалистами фирмы «Аэроджет электросистемз» (США) разработан  многоэлемеитный приемник ИК излучения на основе PbS с числом элементов 592 X 64 = 12 888 для диапазона длин волн 2,5...3,5 мкм. Общий размер  матрицы 3,65 х 19,05 мм; размеры отдельного фоточувствительного элемента 100 X 100 мкм. При рабочей температуре 156 К получены следующие параметры: средняя по матрице мощность, эквивалентная шуму (NЕР), 2,1 х X 10-14Вт; дисперсия NEP 1,2 • 10~14Вт; среднеквадратичная величина шума 2,5 • 10~9А; дисперсия шума 1,4- 10~9А; средняя чувствительность 1,2 X  105 А/Вт; дисперсия чувствительности 2,9 • 104А/Вт; число фоточувствительных элементов с неудовлетворительными параметрами 296 (2,4 %).
Матричный ФПЗИ
Рис. 6.5. Матричный ФПЗИ монолитной структуры

В фоточувствительных приборах с зарядовой инжекцией (ФПЗИ) моноструктуры перенос заряда происходит лишь между электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу. Элемент такого ФПЗИ состоит из двух смежных МОП-конденсаторов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (рис. 6.5). Один из них присоединен к горизонтальной (строчной) шине, а другой — к вертикальной (столбцовой). Шины управляются двумя сдвиговыми регистрами горизонтальной и вертикальной разверток.
Матричный ФПЗИ работает по принципу координатной выборки. За период накопления неосновные носители собираются в ячейках строчных шин, на которые подано напряжение обедняющего смещения UCM. Перед началом считывания столбцовые шины и связанные с ними электроды заряжаются от источника опорного напряжения Uon и отключаются от него ключами К1-.-К4-, до начала считывания L'CM> Uon.
Снимая с помощью регистра вертикальной развертки напряжение t/CM со строки, выбранной для считывания, вызывают переход зарядов во всех ячейках строки под электроды, связанные со столбцовыми шинами. Потенциалы последних изменяются в зависимости от величины перешедших зарядовых пакетов. Эти изменения потенциалов считываются поочередно регистром горизонтальной развертки, который подключает поочередно столбцовые шины к выходному устройству посредством ключей К5...К8.   
Для подготовки прибора к следующему аналогичному такту работы одновременно на оба электрода подается нулевое смещение, и неосновные носители инжектируются в подложку.
Возможен также режим неразрушающего считывания, когда пакеты «снова возвращаются в МОП-конденсаторы строчных шин. Это позволяет получить высокую чувствительность прибора при малых освещенностях.
Каждый чувствительный элемент ФПЗИ окружен стоп-канальной областью, благодаря чему подавляется растекание зарядов, и ПЗИ может нормально функционировать при 1000-кратных локальных увеличениях падающего потока излучения [84].
В табл. 6.1 приведены основные параметры многоэлементных ФПЗИ иностранного производства.
В отличие от ФПЗИ структур, в которых общее число подводящих контактов увеличивается с ростом числа ЧЭ, в ФПЗИ-структурах число подводящих контактов не зависит от числа элементов. Кроме того, в таких приемниках можно обеспечить большую чувствительность, чем в ПЗИ-структурах  и осуществить режим накопления сигнала непосредственно в фотоприемной матрице, а не во внешней схеме, как это имеет место в ФПЗИ-структурах.

6.1. Параметры многоэлементиых ФПЗИ


Фирма

Число ЧЭ

Размеры элемента (зазор между элементами), мм

Фотоприемиик

Материал

Рабочая температура, К

Спектральный диапазон чувствительности, мкм

«Дженерал Электрик»

32 64

0,1 X 0,1 0,025x 0,025

In Sb

77

3... 5

«Тексас Инструмент»

16x24 8x8

0,05x0,05 (0,025; 0,015) 0,025X 0,025 (0,025)

InSb CdHgTe

77

3 ... 5 3 ... 5

«Дженерал Электрик»

32 64 64 32x32

1,3-ю-2*
0,043 x0,056 (0,020; 0.015)

In Sb In Sb

77 67 77 77

3.7 ... 4,8 3,7 ... 4,8
4,85** 4,12**

«Хонейвелл»

8x200

-

Cd Hg Те

77

3 ... 5

* Площадь элемента, мм2.
** Длина волны, соответствующая максимуму чувствительности.


Рис. 6.6 Зависимость диаметра объектива от максимального числа ЧЭ в матрице

С другой стороны, на минимальное значение диаметра объектива dmi* существуют ограничения, связанные с числом элементов в матрице и с дифракционными явлениями на входной апертуре.

*См. ГОСТ 26.201—80, ГОСТ 26.204-83, ОСТ 16.0.684.043-78,

 
Использование монолитных структур на узкозонных полупроводниках (InSb или CdHgTe) ограничивается областью 3...5 мкм, так как в инверсных слоях фоточувствительных материалов, для диапазона 8...12 мкм возникают интенсивные туннельные электронные переходы типа валентная зона —- зона проводимости, сильно зависящие от ширины запрещенной зоны.



 
« Судовые электрические станции и сети   Теплофикация в СССР »
электрические сети