Однофотонная видеокамера видимого и инфракрасного диапазонов на основе сверхпроводящей линии
SINGLE-PHOTON VIDEO CAMERA OF THE VISIBLE AND INFRARED RANGES BASED ON A SUPERCONDUCTING LINE

Изобретение относится к однофотонным видеокамерам, предназначенным для получения видеоизображения в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, и может быть использовано при построении изображения слабосветящихся объектов в таких областях как квантовая обработка изображений, квантовая криптография, обработка изображений с разрешением по времени.
Известен аналог изобретения - фоточувствительный чип на основе сверхпроводящей линии (Zhao, Q.-Y., Zhu, D., Calandri, N., Dane, A.E., McCaughan, A.N., Bellei, F., Wang, H.-Z., Santavicca, D.F., Berggren, K.K., "Single-photon imager based on a superconducting nanowire delay line", (2017) Nature Photonics, 11 (4), pp. 247-251. DOI: 10.1038/nphoton.2017.35).
2
В статье описывается однофотонная матрица на основе сверхпроводящей линии. Сверхпроводящая линия представляет собой копланарную высокочастотную линию, в качестве проводников которой используется сверхпроводящая NbN пленка. Сверхпроводящая линия центрального проводника играет роль не только чувствительного элемента, но и линии задержки микроволнового сигнала. По разнице во времени прихода сигнала на разные контакты структуры можно определить место поглощения фотона сверхпроводящей NbN полоской. Сверхпроводящая копланарная линия плотно заполняет квадрат площадью 286×193 мкм. С обоих концов сверхпроводящая копланарная линия соединяется с конусами Клопфенштейна, выполненными также в виде копланарной линии, для согласования высокого импеданса сверхпроводящей линии в чувствительной области с импедансом 50 Ом системы регистрации и обработки сигналов. Через адаптер смещения сверхпроводящая линия смещается постоянным током с помощью прецизионного источника тока. К обоим концам матрицы через адаптеры смещения подключается двухканальный осциллограф, с помощью которого измеряется время между импульсами. Изображение формируется после постобработки данных.
Недостатком указанного устройства является невозможность получения изображения в режиме реального времени, а также в невозможности достижения высокого фактора заполнения сверхпроводящей линии в чувствительной области, что существенно ограничивает эффективность детектирования.
Известен также аналог изобретения - система формирования изображений в инфракрасном (ИК) диапазоне для определения концентрации целевых газов в объекте (US 10834338 В2, опубл. 10.11.2020), которая включает в себя оптическую систему с матрицей детекторов, находящейся в оптической фокальной плоскости. Оптическая система может иметь по крайней мере два оптических канала, пространственно и спектрально отличающиеся друг от друга. Каждый из оптических каналов расположен так чтобы сфокусировать ИК-излучение на матрицу детекторов. Система включает в себя блок обработки сигналов, содержащий процессор, который может быть сконфигурирован для сбора многоспектральных оптических данных. Упомянутая оптическая система и указанный блок обработки сигналов могут содержаться вместе в модуле сбора и обработки данных. Устройство является мобильным прибором и адаптировано для переноски одним человеком.
Недостатком указанного изобретения является недостаточная чувствительность приемных устройств для получения однофотонного изображения.
Известен также аналог изобретения - однофотонная камера (US 20150362688 А1, опубл. 17.12.2015), которая содержит, по меньшей мере, два блока, каждый из которых содержит решетчатый элемент связи для приема падающего света и сверхпроводящую полоску, расположенную на диэлектрической подложке, при этом решетчатый элемент связи оптически соединен со сверхпроводящей полоской сверхпроводникового однофотонного детектора. Нанофотонное устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, два дополнительных сегмента, которые не содержат сверхпроводящую полоску и нужны для совмещения массива оптических волокон с нанофотонным устройством.
Недостатком указанного изобретения является необходимость разработки оптической системы получения изображения и электронного блока для обработки сигналов с детекторов и вывода изображения на экран. Также отсутствует криогенная установка для охлаждения детекторов до субгелиевых температур.
Прототипом изобретения является высокоскоростная сверхпроводящая фотонная видеокамера (CN 109357774 В, опубл. 27.09.2018), которая формирует изображение предмета, регистрируя отраженные или испускаемые объектом фотоны.
Высокоскоростная сверхпроводящая фотонная видеокамера содержит отдельные пиксели, соединенные сверхпроводящими линиями задержки. Сверхпроводящие нанополоски и линии задержки соединяются последовательно, образуя линейный массив. Множество линейных массивов формируют светочувствительную поверхность большой матрицы видеокамеры.
Одиночный пиксель имеет структуру, в которой сверхпроводящая нанополоска и пленочный резистор подключены параллельно, а два конца сверхпроводящей нанопроволоки и пленочного резистора соединены с копланарной сверхпроводящей линией задержки. Значение сопротивления тонкопленочного резистора имеет значение от 5 до 10000 Ом.
Матрица линз размещается так, чтобы падающий свет разделялся на несколько лучей с числом равному количеству отдельных пикселей и фокусировался на пикселях.
Оба конца каждой строки массива соединены с системой считывания сигналов. Электрические сигналы, генерируемые каждым пикселем, распространяются к началу и концу строки вдоль сверхпроводящей линии задержки с постоянной скоростью и считываются электроникой.
Однофотонная видеокамера, включает криогенную систему, состоящую из компрессора, гибких гелиевых линий, криорефрижератора и криостата. Внутри криостата расположены однофотонная матрица на основе сверхпроводящей нанопроволоки, электрические контакты и оптическая система формирования изображения на поверхности однофотонной матрицы.
Система считывания содержит тактовый генератор или источник синхронного сигнала, высокоскоростной аналого-цифровой модуль сбора данных, модуль высокоточного отсчета времени и модуль высокоскоростной обработки сигналов, относительное время выходных импульсных сигналов записывается.
Разрешение изображения можно варьировать в пределах от 4 до 1000000 пикселей, частота кадров до 1000 кадров в секунду, эффективность детектирования фотонов чувствительной областью может достигать 98,5%, а рабочий диапазон волн составляет 300 нм до 10 мкм.
Недостатком ближайшего аналога является дискретное распределение чувствительных элементов, соединенных друг с другом сверхпроводящими линиями задержки. Это приводит к увеличению оптических потерь и усложнению оптической системы видеокамеры, искажению полученного однофотонного изображения и невозможности точного изменения разрешения изображения.
Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в повышении чувствительности однофотонной видеокамеры и точности настройки параметров видеоизображения, а также в улучшении качества однофотонного изображения.
Технический результат достигается в изобретении следующим образом.
Однофотонная видеокамера видимого и инфракрасного диапазона на основе сверхпроводящей линии, включает криогенную систему с оптимальной рабочей температурой меньше 2.3 К, состоящую из компрессора, гибких гелиевых линий, криорефрижератора и криостата, внутри которого расположены однофотонная матрица на основе сверхпроводящей линии, состоящая из установленной на держателе диэлектрической подложки, на которой размещены по крайней мере одна фоточувствительная сверхпроводящая линия, расположенная между конусами Клопфенштайна, и электрические контакты, а также оптическая система формирования изображения на поверхности однофотонной матрицы, состоящая из согласованных между собой объектива и дополнительных оптических элементов. Снаружи криогенной системы расположена система регистрации и обработки сигналов, подключенная к однофотонной матрице с последующим выводом изображения на экран монитора.
Криостат включает вакуумированный кожух, снабженный по крайней мере одним оптическим окном ввода оптического излучения с возможностью установки дополнительных оптических элементов. Внутри вакуумированного кожуха установлен радиационный экран - чехол первой ступени, снабженный по крайней мере одним окном ввода оптического излучения с возможностью установки дополнительных оптических элементов.
Внутри радиационного экрана - чехла первой ступени установлен радиационный экран - чехол второй ступени, также снабженный по крайней мере одним окном ввода оптического излучения с возможностью установки дополнительных оптических элементов, при этом по крайней мере один держатель с однофотонной матрицей и объективом располагается на холодной плате рефрижератора внутри радиационного экрана - чехла второй ступени.
Кроме того, внутри радиационных экранов - чехлов криостата перед объективом на оптических окнах расположены дополнительные оптические элементы для обеспечения возможности согласования углов зрения объектива с оптическими окнами криостата.
Также внутри радиационных экранов - чехлов криостата перед объективом на оптических окнах расположены оптические фильтры пропускания заданного диапазона длин волн для обеспечения возможности контроля спектра излучения.
Технический результат достигается благодаря использованию в однофотонной матрице одной или несколько микрополосковых линий в качестве сверхпроводящей линии для детектирования одиночных фотонов, а также в качестве линии задержки. Кроме того, нижний слой металла на диэлектрической подложке выполняет роль земляного проводника микрополосковой линии, является зеркалом оптического резонатора для лучшего согласования падающего излучения с чувствительной сверхпроводящей полоской, а также линией задержки.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены: на фиг. 1 структурная схема однофотонной видеокамеры, на фиг. 2 общий вид криостата, на фиг. 3 криостат в разрезе, на фиг. 4 объемная модель оптической системы однофотонной видеокамеры, расположенной в криостате, на фиг. 5 схема оптической системы однофотонной видеокамеры, расположенной в криостате, на фиг. 6 схема микрополосковой линии, на фиг. 7 общий вид микрополоскового чипа, на фиг. 8 сверхпроводящая линия в виде плотноупакованного меандра, на фиг. 9 структура пикселей сверхпроводящей линии, на фиг. 10 система регистрации и обработки сигналов, на фиг. 11 принципиальная схема детектирования, на фиг. 12 система регистрации и обработки сигналов с активной подсветкой.
На фиг. 1-12 показаны следующие элементы однофотонной видеокамеры: охлаждаемый криостат 1, внутри которого располагается оптическая система 2 и фоточувствительная матрица 3 на основе сверхпроводящей микрополосковой линии, блок 4 регистрации и обработки сигналов, расположенный снаружи криостата 1, внешний вакуумированный кожух 5 криостата 1, радиационный экран - чехол 6 первой ступени, радиационный экран - чехол 7 второй ступени, холодная плата 8 второй ступени, система 9 DC вводов, прижимное оптическое окно 10 с креплением для дополнительного оптического элемента (опционально), оптическое окно 11 с креплением для дополнительных оптических элементов первой ступени, оптическое окно 12 с креплением для дополнительных оптических элементов второй ступени, рефрижератор замкнутого цикла 13, держатель 14 с матрицей 3 и объективом 15, дополнительная оптика 16 (опционально), оптический фильтр 17, сверхпроводящая полоска 18, диэлектрик 19, металл 20, диэлектрическая подложка 21, конусы Клопфенштайна 22, сверхпроводящая микрополосковая линия 23, линейные размеры 24 и 25 пикселя линии 23, источник 26 смещения, адаптер 27 смещения, каскад усилителей 28, компьютер 29, счетчик одиночных фотонов с корреляцией по времени 30, сверхпроводниковый меандр 31, «горячее пятно» 32 в точке с координатой х вдоль меандра 31, источник света 33.
Работа однофотонной видеокамеры заключается в следующем.
Криогенная система охлаждения однофотонной видеокамеры включает в себя криостат 1, рефрижератор 13 замкнутого цикла на основе цикла Гиффорда-Макмагона или пульсационной трубки, предназначенный для достижения оптимальной рабочей температуры ≤2.3 К, компрессора для создания рабочего давления в рефрижераторе замкнутого цикла и гибкие гелиевые линии.
В криостате 1 имеется несколько оптических окон для ввода излучения в охлаждаемую часть оптической системы и система СВЧ кабелей для снятия сигналов с матрицы 3 однофотонных детекторов.
Внешний вакуумированный кожух 5 криостата 1, оснащен несколькими вакуумными фланцами с установленными на них герметичными высокочастотными проходниками, а также по крайней мере одним вакуумным оптическим окном 10 ввода оптического излучения.
Внутри вакуумированного кожуха 5 на первой ступени криостата 1 с базовой температурой 30-60 К (в зависимости от величины тепловой нагрузки) установлен радиационный экран - чехол 6 первой ступени, снабженный по крайней мере одним окном 11 ввода оптического излучения. Внутри радиационного экрана - чехла 6 предусмотрена возможность установки вблизи окна 11 дополнительных оптических элементов - охлаждаемых оптических фильтров.
Внутри радиационного экрана - чехла 6 первой ступени на второй ступени криостата с температурой ≤2,3 К установлен радиационный экран - чехол 7 второй ступени, также снабженный по крайней мере одним окном ввода 12 оптического излучения. На радиационном экране - чехле 7 также предусмотрена возможность установки вблизи окна 12 дополнительных оптических элементов - охлаждаемых оптических фильтров. Внутри радиационного экрана - чехла 7 на второй ступени криостата в виде холодной платы 8 установлен по крайней мере один держатель 14 с однофотонными матрицами 3 и объективами 15.
Базовая температура второй ступени составляет ≤2,3 К.
Оптическая система обеспечивает формирование изображения в поле сверхпроводниковой однофотонной матрицы 3, в диапазоне длин волн ~300 нм - 10 мкм.
Оптическая система состоит из нескольких конструктивных элементов - объектива 15 и дополнительной оптики и опционально использует несколько распределенных и отдельно установленных оптических элементов, расположенных на держателе 14 с однофотонной матрицей 3, а также на кожухе 5 и на радиационных экранах - чехлах 6 и 7 криостата 1.
Объектив 15 обладает коротким фокусным расстоянием. Конструктивно он объединен с матрицей 3 в одном жестком механическом блоке - держателе 14 для устранения механических подвижек при охлаждении до гелиевой температуры.
Угол зрения объектива согласован с оптическими окнами 10, 11, 12 криостата 1. Настройка угла зрения возможна за счет дополнительных оптических элементов 17, расположенных перед объективом внутри кожуха 5, радиационных экранов - чехлов 6 и 7 вблизи оптических окон 10, 11, 12.
Спектр излучения контролируется с помощью установки дополнительных оптических элементов - охлаждаемых оптических полосно-пропускающих фильтров 16, пропускающих заданный диапазон длин волн. Охлаждаемые фильтры крепятся перед объективом внутри кожуха 5, экранов - чехлов 6 и 7 вблизи оптических окон 10, 11, 12. Материалы, из которых изготовлены охлаждаемые фильтры в виде линз, подобраны для условий работы в широком диапазоне длин волн (300 нм - 10 мкм) и температур (2-300 К).
Настройка свойств оптической системы производится под параметры однофотонной матрицы 3 для получения максимальной чувствительности и квантовой эффективности. Аберрации оптической системы лежат в диапазоне, допустимом для однофотонной матрицы 3. Пятно покрытия оптической системы согласовано с полем светочувствительных элементов однофотонной матрицы 3 для минимизации паразитной засветки внутри криостата 1.
Система имеет ряд особенностей, связанных с областью своего применения:
- интеграция оптической системы с криостатом 1 и его геометрическими характеристиками (расстоянием между тепловыми экранами, размер оптических окон);
- работа при большом градиенте температур (от 2 К внутри криостата до 300 К снаружи);
- оптические свойства оптической системы (геометрические и хроматические аберрации, разрешающая способность, зона покрытия и другие) настроены на совместную работу с однофотонной матрицей 3 и учитывают ее геометрические параметры: размер пикселя, межпиксельное расстояние, размер матрицы;
- конструктивные элементы оптической системы разнесены вдоль оптической оси и не связаны механически друг с другом;
- диапазон длин волн регистрируемого излучения настраивается с помощью оптических фильтров;
- настройка поля зрения и фокусировка однофотонной видеокамеры с оптической системой происходит без механических подвижек внутри криостата 1.
Технические характеристики:
- спектральный диапазон: ~300 нм - 10 мкм, разделенный на три поддиапазона;
- разрешение: размер пятна от точечного источника не превышает межпиксельного расстояния в матрице на основе сверхпроводящей линии;
- пятно покрытия не меньше размера матрицы;
- диапазон рабочих температур: ~2 К-300 К.
Однофотонная матрица 3 представляет чип, состоящий из диэлектрической подложки 21 (например, из синтетического корунда (сапфира)), на которой расположены контакты, конусы Клопфенштайна 22 и сверхпроводящая микрополосковая линия 23.
Микрополосковая линия (фиг. 6) состоит из сверхпроводящей полоски 18, диэлектрика 19, металла 20 и диэлектрической подложки 21.
Сверхпроводящая полоска 18 имеет множество «виртуальных», в данном контексте - не обособленных физически как отдельные элементы или меандры, пикселей, различать которые можно по времени прихода импульса счетчиком одиночных фотонов с корреляцией по времени 30. В качестве линии задержки и линии передачи сигнала используется сама сверхпроводящая микрополосковая линия 23.
На основание диэлектрической подложки 21 методом электронно-лучевого испарения наносится слой металла 20 (например, золота). Этот слой выполняет роль основного (заземленного) контакта микрополосковой линии 23 и зеркалом четвертьволнового оптического резонатора.
3
4
2
Далее методом осаждения из газовой фазы (PECVD/ ICP CVD) или другим способом наносится диэлектрик 19 (SiN, SiO или другой диэлектрик) толщиной эквивалентной четвертьволновому слою на заданной длине волны. На поверхность диэлектрика 19 осаждают сверхпроводник толщиной 3-10 нм методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе или другим способом. При помощи электронной литографии и плазмохимического травления формируется микрополосковая линия 23 шириной 0,05-10 мкм, который выполняет одновременно роль чувствительного элемента для регистрации одиночных фотонов, оптического резонатора для повышения однофотонной чувствительности, линии задержки электрических сигналов.
Для эффективного распределения пикселей по площадке матрицы 3, сверхпроводящая полоска 18, выполнена в форме сверхпроводникового меандра 31.
К концам микрополосковой линии 23 подсоединяются конусы Клопфенштайна 22 (Фиг.7), выполняющие роль трансформатора импеданса и служащие для эффективного согласования импедансов различных участков электрической цепи.
Импеданс считывающей электроники - усилителей 28 составляет 50 Ом, в то время как импеданс сверхпроводящей микрополосковой линии 23 за счет присущей сверхпроводнику кинетической индуктивности составляет несколько кОм.
Ширина сверхпроводящей полоски (например, NbN) 18 может составлять от 0.05 до 10 мкм (Фиг. 8), что связано с эффективностью поглощения фотонов, и зазор между прямыми участками меандра в микрополосковой линии 23 может составлять от 0.05 до 5 мкм. Сверхпроводящая полоска 18 заполняет квадрат, при этом разрешение матрицы 3 может меняться от 2×2 до 1000×1000 пикселей (Фиг. 8), причем коэффициент заполнения достаточно высокий. Минимальные линейные размеры 24 и 25 пикселя имеют характерный размер, показанный на фиг. 9. На чипе может располагаться несколько сверхпроводящих линий 23 с конусами Клопфенштайна 22, что может способствовать увеличению быстродействия и разрешения однофотонной видеокамеры.
В однофотонной видеокамере через адаптер 27 смещения сверхпроводящая полоска 18 смещается высокостабилизированным прецизионным источником 26 смещения постоянного тока. С помощью величины тока смещения можно регулировать чувствительность сверхпроводящей линии 23.
Поглощение фотона сверхпроводящей полоской 18 (Фиг. 10) приводит к локальному повышению электронной температуры и образованию «горячего пятна» 31, и, как следствие, формированию поперек сверхпроводящей полоски 18 резистивного домена.
При «стандартной» схеме съема сигнала сверхпроводниковую полоску 18 можно представить с помощью двух сосредоточенных элементов - кинетической индуктивности и последовательно соединенного нелинейного динамического резистора, которым является резистивный домен. В такой схеме относительное расположение резистора и индуктивности не влияют на выходной сигнал электрической цепи, и координата фотона вдоль полоски 18 не имеет значения, и не может быть определена. Для длинной полоски, когда время распространения сигнала превышает временное разрешение детектора, нужно представить полоску в виде системы с распределенными параметрами.
После формирования «горячего пятна» 32 возникает импульс напряжения, «бегущий» в обоих направлениях в микрополосковой линии - сверхпроводниковом меандре 31. Эти импульсы фиксируются в различные моменты времени, для которого справедливо соотношение (1)
,
1
2
где τ и τ - моменты времени фиксации импульсов напряжения,
x - координата «горячего пятна» 32, в которой произошло поглощение фотона, ν - скорость распространения импульса сигнала в микрополосковой линии - сверхпроводниковом меандре 31,
L - длина сверхпроводникового меандра 31.
Измеряя Δτ, можно вычислить х:
.
Таким образом, чем меньше будет скорость распространения сигнала, тем точнее можно будет определить координату х, или, другими словами, тем большее число пикселей может быть различимо вдоль сверхпроводниковой полоски 18 заданной длины. Импеданс сверхпроводникового меандра 31 Z и скорость распространения импульса ν составляют:
,
s
s
где L - погонная индуктивность, C - погонная емкость.
Поскольку для сверхпроводниковой полоски 18 кинетическая индуктивность много больше геометрической индуктивности, наблюдается значительное уменьшение скорости распространения электромагнитной волны и значительное увеличение импеданса сверхпроводникового меандра 31, в сравнении с меандром из нормального металла. Таким образом, сверхпроводниковая полоска 18 является эффективной линией задержки, и по времени распространения импульса можно легко определить пространственную координату его зарождения, т.е. область сверхпроводящей линии 23, в которой произошло поглощение фотона.
Сигналы (Фиг. 11), поступающие на оба порта микрополосковой линии 23 вначале усиливаются в каскаде усилителей 28 и затем поступают на блок регистрации и обработки сигналов 4. С помощью внутренней синхронизации определяется время кадровой съемки. Блок регистрации и обработки сигналов 4 определяет время между импульсами и передает на компьютер 29 данные о сработавшем пикселе, на экране монитора которого строится изображение кадра. Также возможно получение изображение сцены с помощью активной подсветки (Фиг. 12). Для этого используется дополнительный мощный источник света 33 на определенной длине волны. Непрерывный источник излучения позволяет повысить сигнал-шум и сделать изображение более четким. Импульсный источник излучения, синхронизованный с внутренним генератором блока регистрации и обработки сигналов, позволяет использовать однофотонную видеокамеру для получения 3D-изображения.
Время регистрации фотона t можно определить из выражения:
.
Зная координаты пикселя, время регистрации фотона и время излучения оптического импульса можно определить расстояние до объекта и, следовательно, построить 3D-изображение объекта.
Таким образом, заявляемая однофотонная видеокамера инфракрасного диапазона на основе сверхпроводящей линии позволяет получить однофотонные изображения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн.