Оптическое считывание - один из путей совершенствования микроболометрических приемников излучения (по материалам зарубежной печати)

УДК 621.384

В. В. Тарасов, Ю. Г. Якушенков

Московский государственный университет геодезии и картографии

ОПТИЧЕСКОЕ СЧИТЫВАНИЕ — ОДИН ИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МИКРОБОЛОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Описываются схемы оптического считывания сигналов с отдельных элементов чувствительного слоя микроболометрических приемников излучения, предлагаемые для улучшения их пороговой чувствительности.

Ключевые слова: микроболометр, схема считывания, сегнетоэлектрический кристалл, перестраиваемый эталон Фабри — Перо.

Известные достоинства неохлаждаемых тепловых многоэлементных приемников излучения (МПИ) — микроболометров — сопровождаются рядом недостатков, ограничивающих круг их применения. К числу последних относятся наличие теплового шума Джонсона и избыточного токового 1//-шума, а также возникновение джоулева нагрева чувствительных элементов, проявляющегося в образовании тока смещения измерительной схемы, и, как следствие перечисленных факторов, невысокая, по сравнению с фотонными МПИ, пороговая чувствительность [1, 2].

Для устранения этих недостатков в целях улучшения пороговой чувствительности микроболометров и приближения ее значения к величинам, характеризующим энергетическое разрешение фотонных МПИ, в последние годы предлагается ряд путей. Один из них — оптическое считывание сигналов, образующихся в отдельных элементах чувствительного слоя микроболометрических МПИ.

Достоинствами оптических схем считывания являются:

— отсутствие проводниковых соединений элементов чувствительного слоя со схемой считывания и, следовательно, отсутствие теплового шума Джонсона и избыточного токового 1//-шума;

— возможность сочетания кремниевых чувствительных элементов с кремниевой схемой считывания;

*

— увеличение коэффициента заполнения пиксела микроболометра за счет устранения столбиков-контактов, соединяющих чувствительные элементы со схемой считывания;

— возможность отказа от температурной стабилизации в микроболометрах с перестраиваемым эталоном Фабри — Перо.

Представляет интерес схема, основанная на зависимости показателя преломления чувствительного элемента — пиксела МПИ — от его температуры (рис. 1). Описание механизма работы такого приемника с электрически управляемым оптическим считыванием приводится в работе [3]. Чувствительным элементом приемника является сегнетоэлектрический кристалл, в котором при приложении электрического поля возникает эффект двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления зависит от температуры пиксела, которая определяется облученностью попадающей на него части изображения просматриваемой сцены. Помещая пиксел в поток поляризованного излучения лазера и регистрируя с помощью

В настоящее время термин „пиксел" обозначает не только элемент изображения, но и элемент чувствительного слоя многоэлементного приемника (см., например: Новый англо-русский словарь по радиоэлектронике. М.: Руссо, 2005. Т. 2. С. 156; Фотоника. Словарь терминов. Новосибирск, 2004).

анализатора и расположенного за ним приемника лазерного излучения мощность сигнала на выходе такой схемы считывания, можно контролировать изменения облученности в изображении сцены.

Переключаемое напряжение

Поляризатор

Лазер

Кристалл

Приемник „считывающего" лазерного излучения

Падающее ИК-излучение Рис. 1. Устройство считывания с электрооптическим термочувствительным кристаллом В схеме считывания выходная мощность Жвых падающего на приемник лазерного излу-

чения определяется как

"вых "вх

Т БШ2 ф ,

где Жвх — поток, создаваемый лазером на входе схемы; т — коэффициент пропускания системы считывания; ф — разность фаз, изменяющаяся при изменении температуры кристалла на величину ДТ.

Разность фаз может быть представлена следующим образом [4]:

ф=-

2п ё

X

д

дТ

АТ.

где ё — длина кристалла в направлении распространения „считывающего" излучения; X — длина волны „считывающего" излучения; пе и по — показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волны „считывающего" излучения соответственно.

В состав оптической схемы входит также компенсатор фазы для калибровки смещения, возникающего вследствие сдвига фазы, вызванного различными факторами.

Изменения мощности Жвых могут наблюдаться в видимом диапазоне с помощью обычного фотонного приемника лазерного излучения, работающего без охлаждения.

В качестве материала сегнетоэлектрического кристалла может быть выбран танталато-литиевый ниобат калия (ТЛНК), для которого при напряженности Е электрического поля,

3 —3

приложенного к кристаллу, равной 3-10 В/см, двулучепреломление Дп= пе - по = 6-10 . Это значение приблизительно на два порядка больше Дп такого известного электрооптического материала, как ЫЫЬ03. При длине кристалла ё = 50 мкм, что близко к размерам пикселов МПИ, мощность ЖВых при диапазоне изменений ДТ в 1 К изменяется гораздо заметнее, чем сопротивление болометров, которое при ДТ = 1 К изменяется на несколько процентов.

Сегнетоэлектрические кристаллы могут быть выращены в виде тонких пленок на кремниевой подложке. На поверхность кристалла наносится тонкий поглощающий обнаруживаемое излучение слой. (В работе [3] предлагается на кристалл ТЛНК наносить слой Б1К.) В отличие от резистивных микроболометров не требуется выполнять этот слой из изоляционного материала. При электрически проводящем слое его поглощающая способность максимизируется, а теплоемкость минимизируется.

На рис. 2 приведена схема работы столбца (строки) чувствительных элементов. Считывающий луч проходит через столбец элементов, к которым поочередно прикладывается напряжение.

Рис. 2. Схема работы столбца (строки) неохлаждаемых электрооптических термочувствительных элементов МПИ

ММОР Изогнутые волноводы

Рис. 3. Схема работы двухмерного МПИ

Схема работы двухмерного МПИ (матричного) с лазерным считыванием представлена на рис. 3. Лазер располагается вне вакуумированного корпуса МПИ. Его излучение с помощью оптического волокна поступает на вход многомодового объемного резонатора (ММОР) в интегральном исполнении, который распределяет входной поток на N выходов. С этих выходов с помощью изогнутых оптических волокон (волноводов) потоки подводятся к N столбцам элементов МПИ. Параллельные пучки лучей проходят через М строк МПИ и поступают на одномерную матрицу ПЗС, считывающую выходные сигналы Жвык и выдающую стандартный видеосигнал. Управляющий интерфейс (УИ) является, по существу, декодером по вертикальной оси МПИ и используется для смещения (подачи напряжения) одновременно на одну из строк МПИ. Выбирая достаточно большую длительность переключающего импульса, можно усреднять шумы на выходе, возникающие в процессе считывания. Поскольку кристаллы образуют емкостную нагрузку

из-за их большого сопротивления, рассеяние тепла, образующегося в схеме при считывании, осуществляется посредством УИ, что заметно снижает мощность, потребляемую термоэлектрическим охладителем, которым снабжается МПИ.

Основными видами шума рассматриваемого МПИ являются тепловой шум, вызванный флюктуациями его температуры, и шум схемы оптического считывания. Эквивалентная шуму разность температур, определяемая первой из этих составляющих, может быть рассчитана по формуле [1]

АТ = 8К 2т4ЩТ п Т0Р^ПИ <Х(АФ/АГ)ах' где К — диафрагменное число объектива, строящего изображение на МПИ; Г — температура элемента МПИ; к — постоянная Больцмана; G — коэффициент теплопроводности; Д/ — ширина полосы пропускания частот; то — коэффициент пропускания оптической системы (объектива); в — коэффициент заполнения чувствительного слоя МПИ; АПИ — площадь чувствительного элемента МПИ; а — коэффициент поглощения излучения чувствительным слоем МПИ; ДФ/ДТ — отношение, характеризующее изменение потока, испускаемого черным телом — аналогом наблюдаемого излучателя, на единицу площади при температуре Т внутри спектрального рабочего диапазона ДХ.

При значениях ожидаемых параметров системы на базе ТЛНК, принятых в работе [3], а именно: G = 1,6-10 и 5,5-10 Вт/К для элементов, расположенных с шагом 50 и 25 мкм, что соответствует тепловой постоянной времени 10 мс в общих случаях; в = 0,96 для элементов с шагом 50 мкм и в = 0,92 для элементов с шагом 25 мкм; а = 0,8; то = 0,9; Д/ = 25 Гц; отношении ДФ/ДТ, вычисленном для спектрального диапазона 8—12 мкм и температуры 293 К, — были получены следующие значения:

ДГп = 5 мК при шаге 50 мкм, ДГп = 12 мК при шаге 25 мкм.

Эти значения ДГп могут быть улучшены за счет снижения теплоемкости пикселов путем использования поглощающего слоя с лучшей проводимостью, например Аи вместо что приведет к увеличению коэффициента а с одновременным уменьшением теплоемкости. Кроме того, можно уменьшить поперечное сечение волноводов, связывающих лазер с пикселами МПИ.

Шумы схемы оптического считывания могут появиться из-за флюктуаций интенсивности считывающего лазерного пучка лучей, а также из-за шума считывания в ПЗС, который весьма невелик.

При сильном электрическом поле (больших значениях Е) полный диапазон выходных сигналов соответствует малому диапазону температур пикселов Т (порядка 1 К). При значительном диапазоне возможно превышение фазового сдвига на п, т.е. возникновение фазовой неопределенности, приводящей к неоднозначности решений (1) относительно АТ. Для исключения такого положения можно реализовать дополнительное считывание с низкой разрешающей температурной способностью, которое выполняется под воздействием невысокого напряжения электрического поля. Это позволяет перекрыть путем считывания большой интервал температур пикселов с однозначным их соответствием выходным сигналам. Связав результаты основного и дополнительного считывания, можно избавиться от фазовой неопределенности.

Стремлением нивелировать указанные недостатки микроболометрических МПИ, а также использовать для считывания сигналов с пикселов МПИ кремниевые интегральные схемы обусловлено применение термооптического эффекта в полупроводниках вместо преимущественно используемых в настоящее время в микроболометрах терморезистивного или пироэлектрического эффектов [2]. В матричном микроболометрическом приемнике, описанном в работе [5], термочувствительные элементы преобразуют длинноволновое ИК-излучение в ближневолновое.

В плоскости изображения, образованного в длинноволновой ИК-области, располагается матрица тонкопленочных перестраиваемых фильтров-резонаторов, настроенных на длины

волн ближнего ИК-диапазона. С помощью оптической схемы считывания сигналы (потоки), создаваемые источником излучения этой схемы (лазером) и прошедшие через эти фильтры, принимаются стандартными ПЗС- или КМОП-фотоприемниками.

Перестраиваемые фильтры представляют собой эталоны Фабри — Перо, в которых резонансная полость выполняется из аморфного кремния с однородностью по толщине в пределах 2 % на пластинах диаметром до 100 мм. Отражательные многослойные зеркала выполняются из аморфного кремния и нитридов кремния. Ширина полосы пропускания фильтров составляет 0,15 нм.

Изменение пиковой длины волны фильтров при изменении показателя преломления под воздействием меняющейся температуры, объясняемое уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника при увеличении температуры, для полости из аморфного кремния характеризуется высоким термооптическим коэффициентом, равным 2,3-10 К-1 при 300 К.

Коэффициент перестройки фильтра, определяемый как отношение смещения пиковой длины волны спектральной характеристики к изменению температуры, в системе, описанной в работе [5], составил 0,06 нм/К в диапазоне температур 295—355 К.

Основным элементом этой системы является матрица перестраиваемых фильтров-пикселов, размещаемых на теплоизоляционных опорах, с другой стороны которых имеется теплопроводная и прозрачная для ближневолнового ИК-излучения подложка (рис. 4). Формируемое объективом изображение в длинноволновом ИК-диапазоне (входное) строится на матрице фильтров-пикселов, из-за нагрева которых происходит сдвиг пиковых длин волн фильтров. Система считывания направляет на фильтры-пикселы „считывающее" излучение ближневолнового ИК-диапазона с длиной волны, близкой к пиковым длинам волн спектральных характеристик фильтров-пикселов. Коэффициент пропускания фильтров зависит от их температур, поэтому на фотоприемной матрице (ПЗС или КМОП), принимающей „считывающее" излучение, формируется изображение, соответствующее нагреву фильтров-пикселов, т.е. входному изображению в длинноволновом ИК-диапазоне. Коэффициент перестройки тем выше, чем уже спектр „считывающего" излучения и чем круче фронты спектральных характеристик этого излучения и пропускания фильтров-пикселов.

Температурный коэффициент системы считывания, определяемый изменением коэффициента пропускания пиксела, приходящимся на 1 К изменения температуры, составляет несколько десятков процентов, что гораздо выше температурных коэффициентов сопротивления материалов традиционных микроболометров (3 % для оксидов ванадия и 1,5 % для аморфного кремния).

Необходимо отметить, что в такой схеме отсутствуют проводниковые соединения со схемой считывания: это снижает уровень шума и дает возможность увеличить коэффициент

Длинноволновое ИК-излу сце

Прозрачная подложка, обеспечивающая „тепловое" заземление

яционная опора

„Считывающее излучение в ближнем ИК-диапазоне

Рис. 4. Схема работы перестраиваемого фильтра-пиксела

„Считывающее" излучение, поступающее

на ПЗС/КМОП-матрицу

заполнения МПИ. В пикселе приемника используется лишь одна опора, а не две, как в термо-резистивных микроболометрах, что позволяет получить коэффициент заполнения МПИ, превышающий 90 %.

Спектр „считывающего" излучения можно перестраивать в соответствии с настройкой фильтров-пикселов в зависимости от окружающей температуры. Эти процессы происходят одновременно, что позволяет отказаться от устройства контроля за температурой окружающей среды без потери качества воспроизведения входного изображения. Как отмечается в работе [5], технология изготовления таких микроболометров существенно упрощается по сравнению с технологией изготовления традиционных терморезистивных микроболометрических МПИ. Она совместима с кремниевыми технологиями изготовления КМОП-интегральных схем. Процент годных пикселов достигает в некоторых образцах 99,9.

Объект Светоделитель МПИ

Устройство макетного образца системы [5] показано на рис. 5. Использовался объектив с диафрагменным числом K = 0,86. Источником „считывающего" излучения был светодиод с фильтром ближневолнового ИК-излучения. Пропускание светоделителя, совмещающего длинноволновое и ближневолновое ИК-излучение, составило 92 % в области спектра, равной 8—15 мкм, и 100 % — в ближнем ИК-диапазоне. Частота кадров равнялась 22 Гц. Для МПИ формата 160^120 эквивалентная шуму разность температур ДТп составила 280—550 мК. При этом отсутствовала какая-либо температурная стабилизация. Столь большие значения ДТп авторы работы [5] объясняют несовершенством отдельных элементов макета (неоднородностью теплового отклика пикселов МПИ, неоднородностью распределения шума в ПЗС/КМОП-матрицах системы считывания, несовершенством оптической системы, недостаточным качеством программно-обеспечиваемой пространственной фильтрации изображения). Тем не менее, авторы работы [5] весьма оптимистичны в оценке описанной системы, предназначенной для производства дешевых тепловизоров многих гражданских применений.

1. Kruse P. W. Uncooled thermal imaging-arrays, systems, and applications // SPIE Press. 2001. Vol. TT 51. P. 34—42.

2. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы „смотрящего" типа. М.: Логос, 2004.

3. Secundo L., Lubianiker Y., Arganat A. I. Uncooled FPA with optical reading: reaching the theoretical limit // SPIE Proc. 2005. Vol. 5783. P. 483—495.

4. Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.

5. Ming Wu, Cook I., DeVito R. et al. Novel low-cost uncooled infrared camera // SPIE Proc. 2005. Vol. 5783. P. 496—505.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

оптико-электронных приборов 14.01.08 г.

Ближневолновое излучение

Ближневолновое „считывающее" ИК-излучение

Рис. 5. Устройство макетного образца тепловизионной камеры

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ