Приемник инфракрасного излучения
INFRARED RADIATION RECEIVER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения мощности теплового излучения.
Приемники инфракрасного излучения (диапазона от 2 до 15 мкм) получили широкое применение в астрофизике, астрономии, аэрогеофизике, промышленности и военной технике, приборостроении. Их использование для освещения боевой обстановки имеет перед радиолокационными преимущество, поскольку приемники инфракрасного излучения обеспечивают скрытность работы этих средств за счет пассивного режима. В боевых условиях приемники инфракрасного излучения вынуждены работать в условиях воздействия помех. В связи с этим большое значение приобретают меры, обеспечивающие подавление излучения фоновых помех с помощью охлаждаемых фильтров и экранов и повышение чувствительности. Известен приемник инфракрасного излучения с охлаждаемыми экраном и спектральным фильтром (см., например, Р. Хадсон, Инфракрасные системы, изд-во "Мир", М., 1972 г., с. 275-278). В указанном приемнике фоточувствительный элемент (1) (см. фиг. 1), охлаждаемый экран 2 и охлаждаемый фильтр 3 пространственно разнесены и имеют тепловой контакт с холодильником 4, которые размещены в вакуумной камере 5 с оптическим окном 6. Эффективность экранирования для селенисто-свинцового охлаждаемого приемника инфракрасного излучения по сравнению с неэкранированным приведена на рис. фиг. 10, 5 [1].
-1/2
Недостатком данного приемника инфракрасного излучения является то, что при увеличении числа фоточувствительных площадок более одной увеличивается апертурный угол экрана, особенно в наиболее ответственной центральной зоне матрицы, что приводит к резкой потере чувствительности. Так, для широкоформатных матриц апертурный угол Q может иметь величину 120 и более, тогда как для единичного элемента он может быть порядка 30. Известно, (см., например, Р. Хадсон, Инфракрасные системы, изд-во "Мир", М., 1972 г., с. 277), что чувствительность приемника с возрастанием угла убывает, подчиняясь зависимости вида Q. Таким образом, при переходе к матричной структуре чувствительных элементов с Q=120° по сравнению с единичным элементом с Q=30, чувствительность уменьшается в 2 раза.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является приемник инфракрасного излучения (см., например, патент Японии № 60-117662 от 25.06.1985 г., МКИ H01L 27/14), который взят за прототип.
В прототипе с целью устранения фоновых помех, увеличения чувствительности и возможности реализации матричной структуры N×M фоточувствительных площадок на базовой подложке из полупроводникового материала формируют фоточувствительные элементы, между которыми вытравливают канавки и заполняют не прозрачным для инфракрасного излучения материалом, после чего охлаждают. Структура предложенного в прототипе приемника инфракрасного излучения приведена на фиг. 2. Полупроводниковую подложку 7 выполняют, например, из теллурида кадмия (CdTe), которую используют в диапазоне длин волн 3-5 мкм, на нее с одной стороны наносят фоточувствительные элементы 8, вытравливают канавки 9 и заполняют их не прозрачным для ИК-излучения материалом 10, например, золотом, которые образуют экраны, поверх подложки наносят противоотражательное покрытие 11.
Недостатком приемника-прототипа является низкая вероятность обнаружения малоразмерных объектов, т.к. при таком построении приемника возникают межэлементные зазоры. Известно, (см., например, Техника средств связи, серия "Техника телевидения", вып. 1, 1983 г., с. 50-59), что величина пороговой чувствительности уменьшается с увеличением ширины зазоров между элементами приемника. Кроме того, с появлением нечувствительных зазоров в матричном приемнике и увеличением их ширины наблюдается резкое повышение неинвариантности пороговой чувствительности к сдвигу изображения точечного объекта. Так, например, при отношении диаметра кружка наименьшего рассеяния оптической системы d к расстоянию между центрами фоточувствительных площадок приемника, равном 1 (как это обычно выбирают), изменения пороговой чувствительности по полю зрения приемника с матричным расположением элементов без зазоров составляет около 1,8 раза, а при 50% зазорах увеличивается до 3,5 раза.
Современные приемники излучения в диапазоне 3-5 мкм имеют размер фоточувствительной площадки, соизмеримый с диаметром дифракционного кружка рассеяния, который для наиболее часто встречающихся объективов не превышает 10-15 мкм. Ширина канавки в полупроводнике имеет размер 5-10 мкм. Таким образом, в самом лучшем случае, когда ширина зазора определяется только шириной канавки, в приемнике-прототипе может быть достигнута величина зазора, не превышающая 50%.
Кроме того, в приемнике-прототипе из-за вертикального расположения канавок-экранов эффективность концентрации излучения мала и распределение потока по поверхности элемента из-за этого получают неравномерным.
Цель изобретения - повышение чувствительности приемника инфракрасного излучения за счет устранения фоновых помех при одновременном повышении плотности установки фоточувствительных элементов.
Указанная цель достигается тем, что в приемнике инфракрасного излучения, содержащем вакуумную камеру с размещенными в ней холодильной камерой, входным оптическим окном, базовой подложкой, с размещенной на ней с помощью теплового контакта чувствительными элементами и экранами в виде канавок, заполненных не прозрачным для инфракрасного излучения материалом, базовая подложка выполнена составной, по крайней мере из двух частей, развернутых попарно на 180° и сдвинутых относительно друг друга вдоль одной из осей ряда (например, столбца матрицы) на половинное расстояние между чувствительными элементами, соединенных между собой тепловым контактом, при этом первая часть базовой подложки оптически сопряжена с первым оптическим окном, а вторая - с введенным вторым оптическим окном, расположены диаметрально противоположно в вакуумной камере на боковой поверхности, а базовая подложка - перпендикулярно основанию холодильной камеры; кроме того, экраны выполнены в виде полых конусов, образующие канавки которых заполнены не прозрачным для инфракрасного излучения материалом, вершины которых оптически сопряжены с чувствительными элементами, основания сопряжены с фокальной плоскостью оптической системы, а их оси перпендикулярны поверхности чувствительных элементов.
Таким образом, выполнение базовой подложки составной из, по крайней мере двух частей, развернутых попарно на 180 градусов и сдвинутых относительно друг друга вдоль одной из осей матрицы на половинное расстояние между чувствительными элементами, выполнение экранов в виде полых конусов, образующие канавки которых заполнены материалом, не прозрачным для инфракрасного излучения, их совокупность и предлагаемые связи являются существенными признаками, как новые, обеспечивающие достижение положительного эффекта - увеличение чувствительности и разрешающей способности.
На фиг. 3 изображен один из возможных вариантов приемника инфракрасного излучения (фиг. 3).
Приемник инфракрасного излучения (фиг. 3) содержит первое 12 и второе 13 выходные окна, базовую подложку 14, состоящую из первой 15 и второй 16 частей, на которых расположены чувствительные элементы 17, экраны 18, и противоотражетельные покрытия 19, холодильная камера 20, вакуумная камера 21. Обе части базовой подложки 14, чувствительные элементы 17, экраны 18, противоотражетельные покрытия 19 с помощью теплового контакта жестко сопряжены между собой, с холодильной камерой 20 и вакуумной камерой 21. Входные окна 12, 13, пропускающие инфракрасное излучение 2-15 мкм выполнены, например, из оптической керамики ПО-4 на основе сернистого цинка, охлаждаемые экраны 18 выполнены, например, путем объемной микротехнологии ионного легирования золота, базовая подложка 14 выполнена на основе полупроводникового материала, прозрачного для области 2-15 мкм, например, из кадмий-теллура, чувствительные элементы 17 из ртуть-кадмий-теллура, сформированные, например, с помощью эпитаксиальной технологии. Вершинный угол полого корпуса экрана θ выбирается в зависимости от толщины L базовой подложки, расстояния между чувствительными элементами S и апертурным углом последней поверхности линзы объектива.
Приемник инфракрасного излучения работает следующим образом. Инфракрасное излучение от объекта фокусируют объективом и направляют первым и вторым зеркалами через первое и второе выходные окна на входные апертуры основания полых конусов охлаждаемых фильтров, первой и второй частей базовой подложки на фоточувотвительные элементы.
Таким образом, в предлагаемом приемнике ИК-излучения в виде, например, двухмерной решетки, плотность установки чувствительных элементов, по сравнению с прототипом возрастает в 4 раза, а отношение
возрастает с 0,5 до 1, что обеспечивает повышение чувствительности в
, разрешающую способность в два раза.
Кроме того, за счет охлаждаемых элементов, выполненных в виде полых конусов, которые легко можно сделать с числовой апертурой, равной 1, при КПД конуса 75% достигают трехкратного увеличения чувствительности (см., например, Р. Хадсон, Инфракрасные системы, изд-во "Мир", М., 1972 г., с. 133). Апертурный угол θ полого конуса при этом по величине может быть таким, каким его выбирают для единичного элемента - в пределах апертурного угла выходного зрачка объектива, типовые значения которого для современных систем не превышают 30 градусов. Благодаря этому чувствительность приемника (его центральной части) повышают еще в два раза.