МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК
MULTIELEMENT PHOTODETECTOR

Данное изобретение относится к фотонике, в частности к инфракрасной (ИК) технике, и может быть рекомендовано для использования в современных тепловизионных, теплопеленгационных и других приборах регистрации тепловых изображений (ТВП).
Многоэлементные фотоприемники (МФП), работающие в режиме накопления, являются ключевым узлом таких приборов. Приемники предназначены для преобразования инфракрасного изображения, формируемого в плоскости фоточувствительных элементов с помощью объектива, в электрический выходной сигнал, используемый для визуальной и электронной регистрации тепловизионных изображений в устройствах различного применения. Режим работы фотоприемников заключается в накоплении фотогенерированных носителей заряда в течение заданного времени накопления и в последующем считывании выходных сигналов, пропорциональных зарядам, накопленным соответствующими элементами фотоприемника.
Известен ИК МФП, включающий корпус с оптическим окном, интегрированный со стабилизатором рабочей температуры (микрокриогенной системой), расположенный внутри корпуса светоизолирующий экран, закрывающий расположенную на контактном растре матрицу фоточувствительных элементов, скоммутированную с мультиплексором и установленную на холодном пальце стабилизатора рабочей температуры, светоизолирующий экран МФП содержит односвязную диафрагму, край которой совпадает с внешней огибающей сечений плоскостью диафрагмы семейства конусов с общим основанием, совпадающим с выходным зрачком объектива, и с вершинами, расположенными по периметру фоточувствительного поля МФЧЭ (см. Configurations, Performance Data, JT Cooled Detector Modules, CMT 256×256 MWIR/LWIR, PtSi 486×640, AEG Infrarot Module GmbH, 1998; Детектор инфракрасного излучения, Патент Японии JP06-026925, дата подачи 06.07.1992 г., МКИ G01J 1/02, G01J 1/06).
н
Данный фотоприемник имеет следующий недостаток. Каждый ФЧЭ матрицы сквозь диафрагму (фиг.1, 2) видит весь выходной зрачок объектива. Сквозь виртуальные диафрагмы, являющиеся проекциями выходного зрачка объектива на плоскость диафрагмы, каждый ФЧЭ полностью получает фоновое и сигнальное излучение, исходящее из объектива. Кроме указанных излучений на ФЧЭ попадает также и паразитное фоновое излучение, исходящее не из объектива. Оно проходит на ФЧЭ сквозь оставшуюся площадь диафрагмы. Под действием излучения ФЧЭ генерируют носители заряда, накапливающиеся на накопительных емкостях С. Величина накопительных емкостей ограничена, что приводит к ограничению максимального количества накопленных зарядов. Следовательно, при наличии паразитного фонового излучения уменьшается число накопленных сигнальных носителей или уменьшается сигнал и ухудшается отношение сигнал/шум, т.к. суммарный шум остается постоянным. Кроме этого, МФЧЭ поглощает большую световую мощность, проходящую через большую по габаритам диафрагму. По этой причине теплоприток, обусловленный поглощенным излучением, также будет большим. Потребляемая устройством фиксации рабочей температуры мощность будет увеличена из-за необходимости поддержания температуры МФЧЭ постоянной.
Вследствие этого будут невысокими следующие характеристики устройства:
- пороговая облученность (NEI);
- пороговая мощность (NEP);
- удельная обнаружительная способность (D*);
- пороговая разность температур (NEDT);
- контрастность видеосигнала;
- динамический диапазон;
- потребляемая МКС мощность.
Прототипом заявляемого изобретения является ИК МФП, включающий расположенную в вакуумном криостате с входным окном матрицу фоточувствительных элементов, скоммутированную поэлементно с мультиплексором, находящуюся в тепловом контакте со стабилизатором рабочей температуры, окружающий матрицу и мультиплексор светоизолирующий экран с круглой диафрагмой, совпадающей с сечением конуса, вершина которого расположена в центре поля МФЧЭ, а основание совпадает с выходным зрачком объектива (см. патент Японии JP 2001-264179, дата подачи 21.03.2000 г., МКИ G01J 5/48, G01J 1/02).
Этот МФП имеет следующий недостаток (фиг.3, 4). В центр фоточувствительного поля МФЧЭ попадает только излучение из выходного зрачка объектива и не попадает паразитное излучение. По мере удаления от центра матрицы соответствующие ФЧЭ «видят» сквозь диафрагму лишь часть выходного зрачка объектива, площадь которой постепенно уменьшается с приближением ФЧЭ к краю матрицы. Соответственно пропорционально уменьшению площади видимой части объектива полезное излучение снижается, а его место все больше занимает паразитное фоновое излучение, проходящее через оставшуюся часть диафрагмы. Количество накопленных носителей тока, генерированных полезными квантами, убывает с ростом расстояния ФЧЭ от центра МФЧЭ, а количество накопленных носителей, генерированное квантами паразитного фонового облучения, возрастает. По окончании времени накопления в накопительных емкостях 99% ФЧЭ будут присутствовать заряды, генерированные паразитным фоновым облучением. Как указывалось выше, это приведет к уменьшению количества накопленных зарядов, генерированных сигнальным излучением. Кроме этого, теплоприток, обусловленный падающим облучением, все еще будет большим. Вследствие этого потребляемая стабилизатором рабочей температуры мощность также будет повышенной.
В результате будут недостаточно высокими следующие параметры устройства:
- пороговая облученность МФП (NEI);
- пороговая мощность МФП (NEP);
- удельная обнаружительная способность МФП (D*);
- пороговая разность температур МФП (NEDT);
- контрастность видеосигнала МФП;
- динамический диапазон;
- потребляемая стабилизатором рабочей температуры мощность.
Целью предлагаемого изобретения является снижение пороговой облученности, пороговой мощности и пороговой разности температур, повышение обнаружительной способности, динамического диапазона и контрастности видеоизображения при одновременном уменьшении потребляемой мощности за счет исключения попадания паразитного фонового потока на МФЧЭ.
Поставленная цель достигается тем, что в многоэлементном фотоприемнике, включающем корпус с оптическим окном, расположенные внутри корпуса светоизолирующий экран с диафрагмой, окружающий фоточувствительный узел, состоящий из мультиплексора и матрицы фоточувствительных элементов, примыкающих к стабилизатору рабочей температуры, края диафрагмы не выходят за пределы участка площади, общего для пересекающихся фигур, являющихся сечениями наклонных пирамид, основания которых совпадают с выходным зрачком объектива, формирующего изображение на матрице фоточувствительных элементов, вершины пирамид расположены по периметру фоточувствительного поля матрицы, плоскость сечения пирамид совпадает с плоскостью диафрагмы, а диафрагма является односвязной или неодносвязной.
Поставленная цель достигается также тем, что заявляемый многоэлементный фотоприемник включает светофильтр с заданным спектром пропускания, температура которого поддерживается стабилизатором рабочей температуры, внутренняя сторона корпуса и экрана покрыты поглощающим покрытием, внешняя сторона светоизолирующего экрана и стабилизатора рабочей температуры покрыты отражающим покрытием, температура стабилизатора рабочей температуры ниже температуры окружающей среды, а стабилизатором рабочей температуры служит термоэлектрическая система, или микрокриогенная система, или дроссельная система, или жидкостная система охлаждения.
Сущность изобретения состоит в том, что в заявляемом многоэлементном фотоприемнике форма, размеры и количество отверстий, составляющих диафрагму в светоизолирующем экране, согласованы одновременно с формой и размерами матрицы фоточувствительных элементов и выходного зрачка объектива, с расстояниями диафрагмы и используемого объектива от матрицы так, что на любой ФЧЭ матрицы не попадает паразитное излучение, а попадает лишь исходящее из выходного объектива излучение. При этом площадь диафрагмы заявляемого фотоприемника, при прочих равных условиях, всегда меньше, чем в прототипе. Вследствие этого теплоприток от поглощаемого излучения будет меньше, а это приведет к снижению потребляемой мощности.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1 - конструктивное исполнение устройства-аналога:
1 - матрица фоточувствительных элементов, 2 - светоизолирующий экран, 3 - диафрагма, 4 - выходной зрачок объектива, 5 - оптическое окно, 6 - корпус фотоприемника, 7 - стабилизатор рабочей температуры.
Фиг.2 - форма холодной диафрагмы устройства-аналога:
3 - диафрагма, 4' - сечение плоскостью диафрагмы проекции выходного зрачка объектива на соответствующий ФЧЭ.
Фиг.3 - конструктивное исполнение устройства-прототипа:
1 - матрица фоточувствительных элементов, 2 - светоизолирующий экран, 3 - диафрагма, 4 - выходной зрачок объектива, 5 - оптическое окно, 6 - корпус фотоприемника, 7 - стабилизатор рабочей температуры.
Фиг.4 - форма холодной диафрагмы устройства-прототипа:
3 - диафрагма, 3' - часть диафрагмы, сквозь которую на соответствующий ФЧЭ попадает паразитное фоновое излучение, 4' - сечение плоскостью диафрагмы проекции выходного зрачка объектива на соответствующий ФЧЭ, 4'' - видимая соответствующим ФЧЭ сквозь диафрагму часть выходного зрачка объектива, от которой на соответствующий ФЧЭ поступает полезное излучение.
Фиг.5 - конструктивное исполнение заявляемого устройства:
1 - матрица фоточувствительных элементов, 2 - светоизолирующий экран, 3 - диафрагма, 4 - выходной зрачок объектива, 5 - оптическое окно, 6 - корпус фотоприемника, 7 - стабилизатор рабочей температуры.
Фиг.6 - форма односвязной холодной диафрагмы максимально возможной величины в случае круглого выходного зрачка объектива и прямоугольного поля МФЧЭ, 3 - диафрагма, 4' - четыре сечения плоскостью диафрагмы проекций выходного зрачка объектива в четыре угла прямоугольного поля МФЧЭ.
Фиг.7 - одна из форм неодносвязной холодной диафрагмы (два отверстия) заявляемого устройства в случае круглого выходного зрачка объектива и прямоугольного поля МФЧЭ:
3 - диафрагма, 4' - четыре сечения плоскостью диафрагмы проекций выходного зрачка объектива в четыре угла прямоугольного поля МФЧЭ.
Фиг.8 - форма односвязной холодной диафрагмы максимально возможной величины в случае прямоугольного выходного зрачка объектива и прямоугольной матрицы:
3 - диафрагма, 4' - четыре сечения плоскостью диафрагмы проекций выходного зрачка объектива в четыре угла прямоугольного поля МФЧЭ.
Фиг.9 - одна из форм неодносвязной холодной диафрагмы (четыре отверстия) заявляемого устройства в случае прямоугольного выходного зрачка объектива и прямоугольной матрицы:
3 - диафрагма, 4' - четыре сечения плоскостью диафрагмы проекций выходного зрачка объектива в четыре угла прямоугольного поля МФЧЭ.
Заявляемый фотоприемник включает следующие основные компоненты:
- матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с фоточувствительным полем 1 произвольной формы, состыкованная поэлементно с кремниевым мультиплексором;
- светоизолирующий экран 2 с диафрагмой 3;
- вакуумированный корпус 6, включающий оптическое окно 5, предназначенное для пропускания излучения из выходного зрачка объектива 4 произвольной формы;
- стабилизатор рабочей температуры 7 (система охлаждения), обеспечивающий фиксированную рабочую температуру МФЧЭ и светоизолирующего экрана. Температура экрана всегда не ниже температуры охлаждаемого узла и не выше температуры окружающей среды.
МФЧЭ с фоточувствительным полем 1 окружена со всех сторон светоизолирующим экраном 2 с диафрагмой 3, расположена внутри вакуумированного корпуса 6 с оптическим окном 5. Оптическое окно 5 и диафрагма 3 предназначены для ввода излучения из выходного зрачка объектива 4 в фоточувствительное поле 1. Постоянная рабочая температура МФЧЭ поддерживается с помощью стабилизатора рабочей температуры 7. Вакуумирование корпуса 6 МФП необходимо для снижения теплопритока к стабилизатору рабочей температуры 7 с целью уменьшения потребляемой им мощности.
В качестве стабилизатора рабочей температуры 7 может быть использована любая система охлаждения и стабилизации температуры, в том числе микрокриогенная система охлаждения (МКС), дроссельная система охлаждения (ДС), термоэлектрическая система охлаждения (ТЭС) или жидкостная система охлаждения (ЖС) на основе жидкого азота, гелия, кислорода и т.д.
Фоточувствительное поле 1 МФЧЭ и выходной зрачок объектива 4 могут иметь произвольные размеры и формы, зависящие от конкретного применения.
Диафрагма 3 строится следующим образом.
Пусть выходной зрачок объектива 4 имеет форму круга с диаметром D, а расстояние от выходного зрачка объектива 4 до прямоугольного фоточувствительного поля 1 МФЧЭ задано и равно L.
Построим четыре наклонных конуса (пирамида с бесконечным числом граней), основание которых совпадает с выходным зрачком 4 диаметра D, высота равна L, а вершины расположены в углах фоточувствительного поля 1 МФЧЭ. Проведем сечение этих конусов плоскостью диафрагмы, расположенной на заданном расстоянии l от плоскости фоточувствительного поля 1 МФЧЭ. Сечениями конусов будут четыре окружности 4', изображенные на фиг.6, 7. Общий участок площади этих окружностей, ограниченный их частями, показанный на фиг.6, будет являться максимально возможной диафрагмой 3 заявляемого многоэлементного фотоприемника. Диафрагма 3 может быть и неодносвязной, как показано на фиг.7, но она не должна выходить за пределы максимально возможной диафрагмы. Диафрагма позволяет настроить заявляемый фотоприемник в оптимальный режим работы, что невозможно в случае аналога или прототипа.
Аналогично строится диафрагма 3 и в случае прямоугольного выходного зрачка объектива 4. Для ее построения требуются четыре прямоугольные пирамиды. Вид односвязной и неодносвязной диафрагмы 3 для указанной формы выходного зрачка объектива показан на фиг.8 и 9.
В общем случае, для построения диафрагмы для произвольных форм матрицы и выходного зрачка объектива требуется построить множество пирамид (конусов) с общим основанием, совпадающим с выходным зрачком объектива. Тогда внутренняя огибающая в плоскости диафрагмы 3, охватывающая общую для всех сечений пирамид 4' площадь будет максимально возможной диафрагмой МФП.
Рассмотрим работу заявляемого фотоприемника.
пр
Излучение из выходного зрачка объектива 1 проходит сквозь оптическое окно 5 корпуса 6 и сквозь диафрагму 3 в светоизолирующем экране 2, коэффициент пропускания К которой определяется следующим выражением:
где ϕ - угол в полярной системе координат;
r(ϕ,l) - абсолютная величина радиус-вектора из центра диафрагмы к ее краю;
х, у - координаты точки в плоскости МФЧЭ.
После прохождения сквозь диафрагму 3 излучение попадает на фоточувствительное поле 1 МФЧЭ. Фоновая облученность в плоскости МФЧЭ при этом будет равна
пр
где К определяется выражением (1).
1
2
1
2
N(T, λ, λ) - интегральная плотность фонового потока квантов при температуре фона Т, спектральном диапазоне от λ до λ и телесном угле 2·π, равна
где с = 2,998·10<sup>10</sup> см·с<sup>-1</sup>
скорость света;
k<sub>B </sub>= 1,381·10<sup>-23</sup> Вт·с·К<sup>-1</sup> (watt·sec·K<sup>-1</sup>)
постоянная Больцмана;
h = 6,626·10<sup>-34</sup> Вт·с<sup>2</sup> (watt·sec<sup>2</sup>)
постоянная Планка.
2
Фоновая облученность имеет размерность [квантов/см·с].
Далее нам понадобится и интегральная плотность мощности фонового излучения при температуре фона Т, в том же спектральном диапазоне и в телесном угле 2π стерадиан, равная
Под действием фонового излучения (2) ФЧЭ генерируют фототек, который выражается следующей формулой:
s
2
где A - площадь ФЧЭ, [см];
η - средняя квантовая эффективность ФЧЭ [электрон/фотон];
-19
q - заряд электрона (q=1,6·10 К).
d
0
н
0
max
н
0
ф
d
Фотогенерированные заряды, вместе с зарядами темнового тока I, копятся в течение времени τ на накопительных емкостях С, предварительно заряженных до потенциала Е. Максимальная величина времени накопления τ определяется величиной емкости С, величиной потенциала Е, величиной фототока I, определяемого выражением (5), и темнового тока I.
раз
где k - относительная величина емкости, разряжаемая за время накопления.
0
max
Величина τ не может превышать величину τ.
0
За время накопления τ накопительные емкости каждой ячейки мультиплексора МФП накопят следующие количества электронов:
0
Учитывая независимость процессов генерации темновых носителей и фотоносителей в ФЧЭ, мы получим следующее выражение для полного шума ячейки МФП в электронах по истечению времени накопления τ:
В этом случае шум выражается количеством электронов.
Теперь мы можем получить фотоэлектрические параметры ФЧЭ, которые нас интересуют.
Пороговая облученность (NEI) - величина сигнальной облученности, при которой отношение сигнал/шум равно единице. Чем меньше ее величина - тем лучше фотоприемник.
Величина NEI определяется следующим выражением:
-2
-1
Размерность NEI - [квантов·смс].
Эквивалентная шуму мощность (Noise Equivalent Power (NEP)) или пороговая мощность - величина сигнальной мощности, падающей на ФЧЭ, при которой отношение сигнал/шум равно единице. Чем меньше NEP - тем лучше приемник. Используя выражения (3), (4) и (9), получим
Пороговая мощность имеет размерность [Ватт].
Удельная обнаружительная способность (Specific Detectivity) - величина, обратная NEP, нормированная на единичную площадку и на единичную рабочую частоту. Чем больше D* - тем лучше фотоприемник.
D* определяется из выражений (3), (4) и (10) следующей формулой:
-1/2
-1
Удельная обнаружительная способность имеет размерность [см·с·Вт].
Ограниченная шумом разность температур (NETD) - наименьшая разность температур протяженного теплового тест-объекта и фона, при которой отношение сигнал/шум равно единице. Чем она меньше - тем лучше фотоприемник. Используя выражения (3) и (9), получим:
1
2
где Z(T,λ,λ) определяется следующей формулой:
Размерность NEDT - [градус].
d
Из выражений (9)-(12) видно, что все параметры фотоприемника ухудшаются, если увеличивается темновой ток I.
Темновой ток ФЧЭ, накапливаемый в емкостях, это паразитные носители заряда, занимающие в силу ограниченной величины емкости место, которое могли бы занимать носители заряда, генерированные сигнальным излучением и фоновым излучением, исходящим из объектива. Паразитное облучение, исходящее из областей, расположенных вне объектива, генерирует также бесполезные носители заряда, что означает фактическое увеличение темнового тока. Поэтому фотоприемник, в котором отсутствует паразитная фоновая облученность, будет иметь наилучшие параметры.
МФЧЭ может быть выполнена на основе квантовых приемников (полупроводниковые фоторезисторы, р-n фотодиоды, диоды Шоттки, МДП- или ПЗС-элементы, квантово-размерные структуры) или тепловых детекторов различного типа, также работающих в режиме накопления.