Крупноформатное сканирующее инфракрасное матричное фотоприемное устройство
LARGE-FORMAT SCANNING INFRARED MATRIX PHOTODETECTOR

3
5
Настоящее изобретение относится к инфракрасным (ИК) крупноформатным сканирующим матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) - устройствам, преобразующим входное оптическое изображение, формируемое объективом, в выходной электрический видеосигнал большого формата с помощью сканирования заданного изображения. Такие МФПУ могут работать в различных спектральных диапазонах чувствительности: (1-1,7) мкм, (1,7-2,4) мкм, (2,4-3) мкм, (3-5) мкм, (5-8) мкм, (8-12) мкм, (12-16) мкм. Матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) МФПУ, работающие в указанных спектральных диапазонах, изготавливаются на основе многокомпонентных полупроводниковых структур, с использованием, например, обычных р-n структур, структур с квантовыми ямами или структур со сверхрешетками из материалов группы АВ и др., полоса фоточувствительности которых соответствует заданному спектру. Такие МФПУ могут использоваться, например, в различных системах регистрации и мониторинга Земли с помощью искусственных спутников. Эти системы регистрируют атмосферные явления, извержения вулканов, ураганы, распределение температуры по поверхности Земли, степень зрелости сельскохозяйственных культур, направления движения рыбных косяков и т.д.
МФПУ таких систем, как правило, являются крупноформатными или устройствами с большим форматом МФЧЭ, реализуемым с помощью М интегральных МФЧЭ формата mxn, расположенных в заданном порядке с перекрывающимися краевыми фоточувствительными элементами (ФЧЭ). Формат таких составных МФЧЭ достигает, например, одного-двух десятков тысяч ФЧЭ в строке.
Конструкция и формат гибридной или интегральной МФЧЭ служат достижению заданного порогового фотоэлектрического параметра (пороговой мощности, пороговой облученности, пороговой разности температур, удельной обнаружительной способности), допустимого количества дефектных ФЧЭ, возможностей технологии, процента выхода годных и т.д.
Стандартное МФПУ, на основе интегральной МФЧЭ, включает герметичный корпус с входным окном и состыкованное с корпусом устройство фиксации рабочей температуры МФЧЭ или охлаждения, необходимое для минимизации шума МФЧЭ и мультиплексора. Внутри корпуса расположена площадка с постоянной температурой (ППТ). На ППТ установлен растр с контактными площадками, на растре установлен кремниевый мультиплексор, поэлементно состыкованный с МФЧЭ. Фотоприемный модуль (ФПМ), включающий сборку МФЧЭ-мультиплексор, окружен светоизолирующим экраном (СЭ), также имеющим постоянную температуру, которая ниже температуры окружающей среды, но не ниже рабочей температуры МФЧЭ. СЭ включает диафрагму, плоскость которой параллельна плоскостям МФЧЭ и входного окна МФПУ, и их центры лежат на оси, перпендикулярной их плоскостям. Достаточно часто диафрагму закрывают светофильтром, определяющим спектральную полосу чувствительности МФПУ. СЭ с диафрагмой предназначен для задания необходимого для эффективной работы МФПУ уровня фоновой облученности.
В крупноформатных сканирующих ИК МФПУ требуется, по крайней мере, на порядок увеличить формат МФЧЭ по сравнению с интегральной матрицей, доведя его до 10000-20000 ФЧЭ в строке. Сделать МФЧЭ такого формата интегральной невозможно даже с помощью самой современной технологии. Действительно, при шаге ФЧЭ даже 7 мкм мы получим длину строки МФЧЭ порядка 10000⋅7 мкм=70 мм, что уже является слишком высоким значением. Поэтому конструкция такой МФЧЭ для крупноформатных сканирующих ИК МФПУ является гибридной, т.е. составленной из интегральных МФЧЭ, расположенных, например, в шахматном порядке с перекрытием краевых ФЧЭ [Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений / Р.А. Шовенгердт. - М.: Техносфера, 2010. - 560 с.; К.В. Козлов, А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, Я.С. Бычковский, Б.Н. Дражников, П.А. Кузнецов // Успехи прикладной физики. 2017. Т. 5. №1. С. 63]. Она включает М интегральных МФЧЭ, состыкованных с М интегральными БИС-процессорами (мультиплексорами).
С целью получения необходимого значения пороговой характеристики крупноформатного МФПУ, необходимо обеспечить заданную фоновую облученность МФЧЭ и ее стабильность по всей фоточувствительной площади. Необходимо также обеспечить минимальный суммарный уровень паразитных облученностей. Эти облученности генерируются объективом, кожухом и корпусом МФПУ, входным окном МФПУ, охлаждаемым светофильтром и холодным экраном. Величина облученности определяется температурой соответствующей части МФПУ. Улучшить пороговые характеристики такого МФПУ может СЭ с неодносвязной диафрагмой, содержащей заданное количество односвязных областей, симметричных относительно своих центров, лежащих на прямых линиях, соединяющих центры фоточувствительных областей гибридной МФЧЭ с центром виртуального выходного зрачка объектива, формирующего изображение [А.И. Патрашин, Я.С. Бычковский, К.В. Козлов, И.Д. Бурлаков, Б.Н. Дражников, А.В. Никонов, Инфракрасное крупноформатное сканирующее матричное фотоприемное устройство, Патент РФ №2655947, 10.07.2017].
Недостатком данного МФПУ является паразитный фотосигнал, генерируемый излучением, исходящим от стенок корпуса, температура которых выше температуры СЭ. Излучение распространяется как вдоль гибридной линейки, так и поперек нее, и приводит к паразитной засветке каждой интегральной МФЧЭ сквозь ее собственную односвязную часть диафрагмы и сквозь односвязные части диафрагмы, относящиеся к соседним интегральным МФЧЭ. Паразитное излучение вызывает дополнительную генерацию носителей заряда ФЧЭ, вызывающих дополнительный паразитный сигнал. Этот сигнал вызывает дополнительный паразитный шум, который ухудшает пороговые характеристики устройства.
Целью изобретения является улучшение пороговых фотоэлектрических характеристик, при одновременном повышении стойкости МФПУ к внешним механическим воздействиям.
Поставленная цель достигается тем, что в известном ИК крупноформатном сканирующем МФПУ, включающем герметичный корпус с оптическим окном, гибридную МФЧЭ, составленную из интегральных МФЧЭ, и светоизолирующий экран, температура которого ниже температуры корпуса и выше температуры интегральных МФЧЭ, содержащий неодносвязную диафрагму, согласованную с ними и с виртуальным выходным зрачком объектива, светоизолирующий экран дополнительно включает ребра жесткости, одновременно являющиеся и светозащитными ребрами, расположенными внутри СЭ между односвязными областями диафрагмы, на обеих поверхностях светозащитных ребер расположено антиотражающее покрытие, число односвязных областей диафрагмы равно числу интегральных МФЧЭ, а высота указанных ребер меньше, чем расстояние от диафрагмы до интегральных МФЧЭ.
Поставленная цель достигается также тем, что расстояние от многосвязной диафрагмы до интегральных МФЧЭ не превышает величину , определяемую следующим выражением:
где h - половина параллельного направлению сканирования минимального расстояния между интегральными МФЧЭ, расположенными в разных строках;
L - расстояние от гибридной МФЧЭ до виртуального выходного зрачка объектива;
R - радиус виртуального выходного зрачка объектива.
Поставленная цель достигается также тем, что на внутренней поверхности корпуса МФПУ и светоизолирующего экрана расположено антиотражающее покрытие, а на внешней поверхности светоизолирующего экрана расположено отражающее покрытие.
Поставленная цель достигается также тем, что односвязные области неодносвязной диафрагмы в светоизолирующем экране покрыты светофильтрами, задающими спектральную полосу чувствительности МФПУ.
Заявляемое изобретение поясняется на фиг. 1-4:
На фиг. 1 изображен возможный вариант расположения перегородок в шестнадцатисвязной диафрагме СЭ ИК крупноформатного сканирующего МФПУ. Пунктирные линии - СЭ с многосвязной диафрагмой. Сплошные линии - перегородки между односвязными частями многосвязной диафрагмы СЭ.
На фиг. 2 и 3 показаны сечения А-А и В-В.
На фиг. 2 изображено возможное взаимное расположение гибридной МФЧЭ, виртуального выходного зрачка оптической системы и светонепроницаемых ребер жесткости в СЭ крупноформатного сканирующего ИК МФПУ с неодносвязной диафрагмой (сечение А-А). Пунктирными линиями показаны направления распространения паразитного излучения от внешнего корпуса с более высокой температурой.
На фиг. 3 изображено возможное взаимное расположение гибридной МФЧЭ, виртуального выходного зрачка оптической системы и светонепроницаемых ребер жесткости в СЭ крупноформатного сканирующего ИК МФПУ с неодносвязной диафрагмой (сечение В-В). Пунктирными линиями показаны направления распространения паразитного излучения от внешнего корпуса с более высокой температурой.
На фиг. 4 изображен принцип построения односвязных частей многосвязной диафрагмы, согласованной с МФЧЭ и виртуальным выходным зрачком объектива.
Рассмотрим на конкретном примере суть работы заявляемого устройства.
1
2
Крупноформатнное сканирующее ИК МФПУ включает герметичный корпус 1 с оптическим окном 2 и состыкованное с ним устройство фиксации рабочей температуры МФЧЭ (УФРТ) (не показано на рисунках). Площадка с постоянной температурой (ППТ) этого устройства расположена внутри корпуса 1. На ППТ, любым способом, создающим надежный тепловой контакт, установлен многоконтактный растр (не показан на рисунках). На растре установлены и разварены 16 кремниевых БИС-мультиплексоров 3, состыкованных с помощью индиевых столбиков с 16 интегральными МФЧЭ 4, образующими гибридную МФЧЭ. Гибридная МФЧЭ окружена СЭ 5. Температура СЭ 5 должна быть ниже температуры корпуса 1 и не ниже температуры МФЧЭ 4, чтобы паразитное излучение от СЭ было много меньше, чем паразитное излучение от корпуса МФПУ 1. СЭ 5 включает неодносвязную диафрагму 6, плоскость которой параллельна плоскости гибридной МФЧЭ 4. Неодносвязная диафрагма 6 должна быть согласована с гибридной МФЧЭ 4 и выходным зрачком объектива 7 по любому закону. На односвязных частях диафрагмы 6 могут быть расположены светофильтры 8, например, интерференционные, в которых, практически отсутствует поглощение излучения. Светофильтры 8 необходимы для формирования заданной спектральной полосы регистрации [λ;λ]. СЭ 5 включает расположенные изнутри светонепроницаемые перегородки как продольные 9, так и поперечные 10. Они одновременно являются ребрами жесткости СЭ и повышают стойкость МФПУ к механическим нагрузкам. Самыми неприятными из них являются тангенциальные нагрузки, приложенные перпендикулярно длинной стороне СЭ 5. Действительно, светоизолирующие экраны в МФПУ изготавливают из как можно более тонкого материала, чтобы максимально снизить холодопроизводительность УФРТ и, соответственно, затраты энергии на их охлаждение. В то же время пропорционально снижению толщины стенок СЭ 5 снижается и механическая прочность экрана. По этой причине стенки должны иметь некую минимальную толщину, обеспечивающую и механическую прочность. Поэтому дополнение конструкции СЭ 5 ребрами жесткости позволит изготовить его из более тонкого материала, что, возможно, позволит сохранить массу СЭ 5 и холодопроизводительность УФРТ и одновременно укрепить стойкость СЭ 5 к механическим перегрузкам. Обе поверхности светозащитных ребер жесткости 9 и 10, внутренняя поверхность СЭ 5 и корпуса МФПУ 1 покрыта антиотражающим покрытием, а внешняя поверхность СЭ 5 покрыта отражающим покрытием. Антиотражающее покрытие необходимо, чтобы не создавать переотражения попадающих внутрь корпуса и СЭ излучений (фонового излучения, излучений от объектива 7, от входного окна 11, от корпуса МФПУ 1, от светофильтров 8, от СЭ 5). Отражающее покрытие необходимо, чтобы энергетически «разгрузить» УФРТ, т.к. падающие снаружи на СЭ 5 световые лучи будут при этом отражаться и поглощаться в антиотражающем покрытии внутренней поверхности корпуса 1. В силу того, что односвязные области диафрагмы 6 в СЭ закрывают светофильтрами 8, то тем самым задается необходимая спектральная полоса чувствительности МФПУ. Устройство может также включать кожух 11, температура которого близка или равна температуре корпуса МФПУ. Он также будет испускать паразитное излучение, попадающее на МФЧЭ и ухудшающее его пороговый фотоэлектрический параметр, что показано на фиг. 2 и 3.
Определим максимальную высоту  многосвязной диафрагмы над МФЧЭ.
Односвязные части диафрагмы, сквозь которые соответствующие интегральные МФЧЭ гибридной матрицы видят весь выходной зрачок объектива, имеют вид и взаимное расположение, показанные на фиг. 4, и описываются следующими кусочно-непрерывными выражениями:
- длина линейной части длинной стороны диафрагмы - ;
- длина линейной части короткой стороны диафрагмы - ;
- радиус закругления каждого угла диафрагмы - ,
где  - длинная сторона МФЧЭ;
b
- короткая сторона МФЧЭ;
R - радиус выходного зрачка объектива;
L - расстояние МФЧЭ - выходной зрачок объектива;
- расстояние МФЧЭ - холодная диафрагма.
Легко доказать, что высота многосвязной диафрагмы  не должна превышать величину , определяемую следующим выражением:
где h - половина параллельного направлению сканирования минимального расстояния между интегральными МФЧЭ, расположенными в соседних строках.
Рассмотрим ΔАВС и ΔCDE на фиг. 4. Легко заметить, что они подобны. Тогда ,
или с учетом обозначений
Из (3) следует искомое выражение (1).
Высота  зависит только от расстояния L выходного зрачка объектива 7 до плоскости гибридной МФЧЭ 4, от его радиуса R и от половины расстояния между интегральными МФЧЭ гибридной линейки в направлении сканирования h, и не зависит от параллельного смещения выходного зрачка объектива 7 относительно плоскости МФЧЭ. При достижении указанной высоты  односвязные части диафрагмы сольются, и диафрагма станет односвязной.
Заявляемое устройство отличается от известных тем, что СЭ 5 содержит ребра жесткости 9 и 10, служащие одновременно и дополнительными светозащитными экранами, расположенными между односвязными частями диафрагмы 6, число которых должно совпадать с числом интегральных МФЧЭ 4. Для эффективной работы МФПУ ребра жесткости 9 и 10 должны иметь высоту, которая менее расстояния от плоскости диафрагмы до внешней поверхности интегральных МФЧЭ и должны быть покрыты антиотражающим покрытием с обеих сторон. Тогда паразитное излучение будет попадать в ребра жесткости 9 и 10 сквозь соседнюю диафрагму, будет поглощаться антиотражающим покрытием, и не будет попадать на чувствительные поля гибридной МФЧЭ. Это снизит шум ФЧЭ при постоянном полезном сигнале и повысит пороговый параметр МФПУ.
Работа ИК крупноформатного сканирующего МФПУ эквивалентна функционированию обычного МФПУ. Отличие состоит в том, что излучение, проходя через объектив 7 и сканер, падает на МФПУ, проходит через входное окно 11 и попадает на интегральные МФЧЭ 4 не сквозь единую диафрагму, а сквозь ее односвязные части 6, согласованные с фоточувствительными областями гибридной МФЧЭ. Паразитная подсветка интегральных МФЧЭ 4 ограничивается СЭ 5, светоограничивающими экранами 9 и 10, одновременно являющимися и ребрами жесткости СЭ. Они позволяют ограничить паразитную подсветку интегральных МФЧЭ 4 и тем самым снизить паразитный световой сигнал, а это значит, снизить и шум всего МФПУ. Так мы получим улучшение порогового фотоэлектрического параметра. Весь холодный экран при этом останется компактным и прочным, при сохранении малого герметизируемого объема МФПУ. Таким образом, мы сможем улучшить значение порогового параметра, не ухудшая габариты, теплопритоки, энергопотребление и массу МФПУ, а также повышая его стойкость к механическим нагрузкам, что и требовалось получить.