Матричный квазиоптический приемник электромагнитного излучения

Полезная модель относится к системам обработки изображений в электромагнитном диапазоне, включая миллиметровый, терагерцовый и инфракрасный (ИК) диапазоны длин волн, и может быть предназначена для систем визуализации. Более конкретно, данная полезная модель направлена на решение проблемы конструирования матричного квазиоптического приемника электромагнитного излучения, способного обнаруживать низкоуровневые изображения в электромагнитном диапазоне длин волн с высоким пространственным разрешением.
В настоящее время интенсивно осваивается электромагнитный диапазон длин волн, включая миллиметровый, терагерцовый (0.1-10 ТГц) и инфракрасный диапазоны. Развитие и освоение этого диапазона стимулировано как вследствие расширения технологий, так и благодаря перспективам использования его для фундаментальных и прикладных исследований, например для интроскопии объектов, включая неинвазивную медицинскую диагностику (выявление новообразований и патологий под кожей, стоматология, хирургия и др.) и системы безопасности (обнаружение скрытого под одеждой оружия, взрывчатки и др.), в астрофизических исследованиях, видения в оптически непрозрачных средах и т.д.
В значительной степени это обусловлено тремя факторами (М.А. Демьяненко, Д.Г. Есаев, В.Н. Овсюк, Б.И. Фомин, А.Л. Асеев, Б.А. Князев, Г.Н. Кулипанов, Н.А. Винокуров. Матричные микроболометрические приемники для инфракрасного и терагерцового диапазонов // "Оптический журнал", 76, 12, 2009, с. 5-11). Неметаллические и неполярные материалы прозрачны для терагерцового излучения, что позволяет оперативно выявлять потенциально опасные вещества через скрывающую одежду, обувь, багажные сумки, пластиковые и картонные упаковки. Материалы, важные с точки зрения безопасности, имеют характерные спектры пропускания и отражения в терагерцовом диапазоне, что дает возможность проводить их идентификацию с высокой степенью достоверности. Терагерцовое излучение малой интенсивности не представляет угрозу для здоровья живых организмов, что позволяет их сканирование без нанесения вреда.
Для этих и других применений, для регистрации электромагнитного излучения требуются двумерные матричные приемники электромагнитного излучения. Матричные приемники электромагнитного излучения позволяют, в принципе, упростить системы сканирования в таких устройствах, либо вообще отказаться от них.
Известны определенные матричные приемники, которые имеют ряд существенных ограничений и недостатков.
Можно отметить, что одним из основных направлений в конструкции матричных приемников электромагнитного излучения является уменьшение размера пикселя. Меньшие пиксели обеспечивают более высокое разрешение, повышение частотных характеристик отдельных пикселей за счет уменьшения емкости, снижение темного тока, уменьшение габаритов и массы устройства в целом. Размеры пикселей в настоящее время приближаются к пределу разрешения обычной оптики.
Так, матричные приемники для инфракрасной и субмиллиметровой области спектра (И.Г. Неизвестный, А.Э. Климов, В.Н. Шумский. Матричные фотонные приемники для дальней инфракрасной и субмиллиметровой области спектра // УФН, 2015, т. 185, №10, с. 1031-1042) разрабатываются и созданы на основе приемных элементов, в основе которых лежат болометры, в которых под действием излучения происходит нагрев поглощающего слоя, изменяется сопротивление активного слоя и в цепи изменяется электрический ток, сверхпроводниковые сенсоры на краю перехода (TES болометры), болометры с горячими электронами (HEB болометры), а также детекторы со сверхпроводящим туннельным переходом (STJ детектор), детекторы на основе SIS структуры, полупроводниковые примесные фотоприемники, фоторезисторы, фотоприемники на основе монокристаллических объемных образцов легированного индием твердого раствора PbSnTe:In, фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта, гетеродинные матричные детекторы на основе терагерцовых диодов Шотки и т.д.
Однако известные матричные приемники имеют низкие пространственное разрешение и чувствительность.
Известен матричный приемник терагерцового излучения (Патент РФ 2414688) на основе ячеек Голея.
Однако данный матричный приемник имеет размер одиночного пикселя (размер одиночного приемника) порядка длины волны используемого излучения и имеет низкое пространственное разрешение.
Известные матричные приемники не позволяют эффективно собрать и направить электромагнитное излучение на каждый приемный элемент, уменьшить размеры приемного элемента, уменьшить шум и повысить чувствительность приемного элемента.
Известно устройство 100 элементного матричного приемника 8-миллиметрового диапазона длин волн (В.И. Матвеев. Из истории развития неразрушающего контроля. - Контроль. Диагностика. - 2005, №2, с. 71-76.).
2
2
Пространственное разбиение анализируемого поля осуществлялось с помощью плоской 100-элементной антенной решетки, выполненной в двух вариантах: в первом элементарными антеннами были пирамидальные рупоры, расположенные в виде шестигранной решетки Браве на площади 400 см; во втором - открытые концы волновода сечением 7,2×3,4 мм в виде прямоугольной решетки на площади 36 см.
Такой матричный приемник имел низкие чувствительность и разрешение, большие габариты и сложное устройство.
В работе (Xuecou Tu, Lin Kang, Chao Wan, Lei Xu, Qingkai Mao, Peng Xiao, Xiaoqing Jia, Wenbin Dou, Jian Chen, and Peiheng Wu. Diffractive microlens integrated into Nb5N6 microbolometers for THz detection // Optics Express, 2015, Vol. 23, No. 11, pp. 13795-13803) приведено описание устройства матричного приемника электромагнитного излучения, в котором падающее электромагнитное излучение фокусируется массивом кремниевых дифракционных линз на каждый элемент приемной матрицы. Этим достигается повышение чувствительности приемного элемента по сравнению с приемной матрицей без массива линз.
Однако оптические линзы не обеспечивают достаточной концентрации электромагнитной энергии на приемном элементе, имеют большие продольные и поперечные размеры (характерный поперечный размер линзы более длины волны используемого излучения и фокусное расстояние порядка поперечного размера линзы). Такие устройства принципиально не могут сфокусировать электромагнитное излучение в область, ограниченную дифракционным пределом (Борн М., Вольф Э. Основы оптики -М.: Мир, 1978). Кроме того, такие устройства имеют сложную структуру - форма поверхности линзы имеет ступенчатую форму или сферическую, гиперболическую, параболическую или иные формы поверхности.
Уменьшение размеров элементов изображения снижает чувствительность матричного приемника. Кроме того, снижается коэффициент заполнения матричного приемника приемными устройствами из-за больших их размеров.
В качестве прототипа выбрано устройство матричного квазиоптического приемника электромагнитного излучения по патенту США №9362324 B1, «Photodetector Focal Plane Array Systems and Methods)), от 7 июня 2016 г, МПК B05D 3/12, H01L 27/146, содержащего подложку с размещенными на ней приемными элементами, чувствительными к электромагнитному излучению, и микрокомпонентами, выполненными в форме диэлектрических или полупроводниковых сфер диаметром от λ до 100λ, где λ - длина волны падающего излучения, и с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1.4 до 3.5, расположенными рядом с каждым приемным элементом со стороны падающего электромагнитного излучения и центрированными с ним, формирующими и направляющими фотонные струи в соответствующий приемный элемент, при этом характерный размер микрокомпонентов более характерного размера приемного элемента.
Микрокомпоненты, расположенные рядом с каждым приемным элементом со стороны падающего электромагнитного излучения и центрированные с ними, формирующие и направляющие фотонные струи в соответствующий приемный элемент, позволяют более эффективно собрать и направить электромагнитное излучение на приемный элемент, уменьшить размеры приемного элемента, уменьшить шум и повысить чувствительность приемного элемента.
Фотонная струя (Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visiblelight ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, №7, pp. 1214-1220, 2004; И.В. Минин, O.B. Минин Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, 163 с.) возникает в области теневой поверхности диэлектрических частиц и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки, при этом достижимо пространственное разрешение ниже дифракционного предела.
Достоинством устройства является возможность фокусировки электромагнитного излучения на приемное устройство с размерами порядка λ/3 непосредственно за микрокомпонентом, формирующим фотонную струю.
Недостатком устройства является большой размер микрокомпонента, формирующего фотонную струю, не менее λ.
Задача полезной модели - создание матричного квазиоптического приемника электромагнитного излучения с высокими разрешающей способностью и чувствительностью.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является уменьшение габаритов матричного квазиоптического приемника с одновременным повышением чувствительности и разрешающей способности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в матричном квазиоптический приемнике электромагнитного излучения, содержащем подложку и размещенные на ней один или несколько приемных элементов, чувствительных к электромагнитному излучению, и микрокомпонентов, выполненных из диэлектрических или полупроводниковых материалов с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1.4 до примерно 2, расположенных рядом с каждым приемным элементом со стороны падающего электромагнитного излучения и центрированных с ним, формирующих и направляющих фотонные струи в соответствующий приемный элемент, при этом характерный размер микрокомпонентов составляет более характерного размера приемного элемента, новым является то, что микрокомпоненты выполнены в форме кубика с величиной ребра не менее 0.5λ.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- микроэлемент, формирующий и направляющий фотонные струи в соответствующий приемный элемент, имеет форму кубика (в прототипе микроэлемент имеет сферическую форму);
- характерная размер величины ребра кубика составляет не менее 0.5λ, где λ - длина волны используемого излучения (в прототипе минимальный размер микроэлемента не менее λ).
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого квазиоптического матричного приемника электромагнитной энергии из литературы не известно, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структура отдельного приемного элемента (пикселя).
На фиг. 2 приведена схема квазиоптического матричного приемника.
На фиг. 3 приведено сравнение микрокомпонентов в форме кубика и сферы с характерными размерами λ/2 и λ/4.
Квазиоптический матричный приемник состоит из подложки 2, на которой размещены приемные устройства электромагнитного излучения 4 и микрокомпоненты 3 в форме кубика, расположенного непосредственно на приемном устройстве 4 со стороны освещающего электромагнитного излучения 1.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитное излучение 1 освещает микрокомпонент в виде кубика 3, формирующий и направляющий фотонные струи в соответствующий приемный элемент 4.
Эффективность сбора и фокусировки на приемный элемент 4 повышается из-за того, что характерный размер диэлектрического или полупроводникового кубика 3 может быть больше характерного размера приемного элемента 4 (пикселя) и кубики с величиной ребра λ/2 (менее дифракционного предела) обеспечивают более сильную фокусировку электромагнитного излучения, чем сферы такого же диаметра. Кроме того, микрокомпонентные устройства кубической формы 3 позволяют достичь более высокой степени заполнения матричного приемника приемными устройствами, по сравнению со микрокомпонентами сферической формы.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения, фиг. 3. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы, в 1.4 раза.
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 фотонная струя не формируется, фиг. 3.
Микрокомпоненты могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне от 1.4 до примерно 2, таких как, например (O.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396 p., pp. 369-373): полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и других материалов и из полупроводниковых материалов, например кремния, германия, арсенида галлия и других материалов.
Изготовить матрицу микрокомпонентов, формирующих фотонную струю, можно, например, методом печати на 3D принтере (Kyoung Youl Park, Nophadon Wiwatcharagoses, Premjeet Chahal. Wafer-level Integration of Micro-Lens for THz Focal Plane Array Application // Electronic Components & Technology Conference, 2013, pp. 1912-1919), используя термопластичные материалы, такие как, например, полиэтилен, акрил и т.д. Например, акрил в диапазоне частот от 0.1 до 0.8 ТГц имеет коэффициент преломления 1.65-1.68 и малые потери электромагнитной энергии в материале (тангенс угла потерь изменяется от 0.012 до 0.05).
Для изготовления матрицы микрокомпонентов, формирующих фотонную струю, возможно использование методов фотолитографии с последующим травлением (N. Llombart, C. Lee, M. Alonso-delPino, G. Chattopadhyay, C. Jung-Kubiak, L. Jofre, I. Mehdi. Silicon Micromachined Lens Antenna for THz Integrated Heterodyne Arrays // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 3, №5, September 2013, pp. 515-523), применяя в качестве материала микрокомпонентов, например, кремний.
Экспериментальные исследования предлагаемого квазиоптического матричного приемника подтверждают расчетные данные.