ТЕПЛОВИЗОР НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФОТОПРИЕМНИКА С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ (ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СПЕКТРА СИГНАЛА)
THERMAL IMAGER BASED ON A HYBRID PHOTODETECTOR WITH AN OPTICAL OUTPUT (THERMAL IMAGING DYNAMIC SIGNAL SPECTRUM CONVERTER)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к оптоэлектронике, нано- и микроэлектронике и может быть использовано для создания гибридных фотоприемников (ФП) и тепловизоров, в том числе мультиспектральных, состоящих из заданной комбинации фоточувствительных элементов (ФЧЭ) или фотодетекторов (ФД), например для создания тепловизоров с оптическим выходом на основе гибридных ФП изображений инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов, ближнего и среднего, а также дальнего диапазона, или изготовления тепловизоров с оптическим выходом на базе неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников (ММБП) излучения ИК и терагерцового (ТГц) диапазонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные многоэлементные гибридные ИК ФП представляют собой гибридные микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФЧЭ и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами (Фиг. 1). Мультиплексор это бескорпусная интегральная схема (ИС), которая обеспечивает требуемые электрические режимы работы ФЧЭ, осуществляет считывание электрических сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования падающего ИК излучения в ФЧЭ, позволяет исключить механическую развертку изображения по одной или по двум координатам и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом.
В нано- и микроэлектронных конструкциях и вариантах технологии создания ИК ФП и тепловизоров в гибридном исполнении используют ФП в виде гибридной микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФД и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами; в монолитном исполнении применяют ФП в виде кристаллов мультиплексоров с интегрированными на них массивами ФЧЭ или ФД.
Преобразование (изменение) спектра при визуализации последовательности невидимых для глаза изображений является перспективной, прорывной научной проблемой. Имеются разные научно-технические подходы к решению указанной проблемы.
АНАЛОГИ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА
Известны многочисленные конструкции электронно-оптических преобразователей (ЭОП), преобразующих излучение ближнего ИК спектрального диапазона в видимое излучение. Однако ЭОП и тепловизоры на их основе имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных тепловых "засветок" [Гибин И.С., Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Прикладная физика. 2019. №3. С. 31-38; Карамурзов Б.С., Мустафаев Г.А., Кармоков А.М., Молоканов О.А., Панченко В.А. Электронно-оптический преобразователь // Патент РФ на изобретение. №RU 2476952 С2. Бюл. №6. Опубл. 27.02.2013 г.; Гибин И.С, Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Патент РФ на изобретение. №RU 2657338 С1. Бюл. №17. Опубл. 13.06.2018 г.; Саликов В.Л., Украинский С.А. Прибор ночного видения // Патент РФ на изобретение. №RU 2189066 С1. Бюл. №25. Опубл. 10.09.2002 г.].
Известен конвертер - преобразователь изображений миллиметрового (ММ) диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант.2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками. Имея достаточно сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона.
Известен матричный преобразователь ТГц излучения (варианты) [Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный преобразователь терагерцового излучения (варианты) // Патент РФ на изобретение. №RU 2482527 С. 2. Бюл. №14. Опубл. 20.05.2013 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона.
Известен матричный приемник ТГц излучения на основе многоэлементной структуры ячеек Голлея [Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный приемник терагерцового излучения // Патент РФ на изобретение. №RU 2414688 С. 1. Бюл. №8. Опубл. 20.03.2011 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.
Известен детектор изображений миллиметрового диапазона на основе ММ - ИК конвертера, преобразующий изображения ММ-диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона с последующим считыванием полученных в результате фотоэлектрического преобразования ИК-фотосигналов в электрические сигналы в фоточувствительных элементах (ФЧЭ) [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант.2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ - волн.
Известны многоэлементные гибридные ИК - фотоприемники, состоящие из двух основных частей: многоэлементной фоточувствительной структуры (кристалла матрицы фотодетекторов) и {кристалла} кремниевого мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами в гибридную микросборку (см. Фиг. 1) [Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Шашкин В.В. Кремниевые мультиплексоры для многоэлементных фотоприемников ИК - диапазона // Автометрия. 2005. Т. 41, №3. С. 88-99]. Известные гибридные многоэлементные ИК - фотоприемники в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами, с обычным выходом фотосигналов для последующей визуализации входных невидимых изображений потребуют дополнительно отдельные блоки управления фотоприемником и предварительной и основной обработки формируемых фотосигналов, а также отдельный дисплей (монитор) для отображения исходных изображений в заданном спектральном диапазоне.
ПРОТОТИП КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВИЗОРА
Известны многочисленные конструкции обычных тепловизоров, которые в наиболее общем виде состоят из: ИК или ТГц ФП для преобразования входных изображений в электрические сигналы, блоков охлаждения или стабилизации температуры ФП (при необходимости), блоков управления ФП и предварительной обработки формируемых фотосигналов, а также видеопроцессора для последующей обработки сигналов и дисплея (монитора) для визуализации исходных изображений в заданном спектральном диапазоне (Фиг. 2) [Вайнер Б.Г., Ли И.И., Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Базовкин В.М., Захаров И.М., Гузев А.А., Субботин И.М., Ефимов В.М., Валишева Н.А., Строганов А.С. Матричный тепловизор // Патент РФ на изобретение №RU 2152138 С. 1. Бюл. №18. Опубл. 27.06.2000 г.]. Данный тепловизор является наиболее близким техническим решением и может быть принят за прототип. Основной недостаток наиболее близкого технического решения (исполнения) тепловизоров связан с технологией изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и немалыми, большими весогабаритными характеристиками.
НЕДОСТАТКИ ИЗВЕСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА:
1. Тепловизоры на основе ЭОП имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных входных тепловых "засветок". ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками.
2. Имея весьма сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона. Конструктивно достаточно сложные ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона. Имея достаточно сложную конструкцию, большие размеры элементарных ячеек и значительные габариты матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.
Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ-волн.
При этом основной недостаток наиболее близкого технического решения тепловизоров связан с технологией их изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и, в какой-то мере, миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и большими весогабаритными параметрами.
3. Кроме того, в качестве блоков известных аналогов тепловизоров используют фотоэлектронные модули (ФП) в корпусах или на пластинах-носителях. Из-за наличия у фотоэлектронных блоков (ФП) корпусов, механических разъемов, дополнительных подложек и носителей конструкции и способы изготовления известных аналогов тепловизоров основывают на механических креплениях и механосборочных операциях, что принципиально ограничивает возможности микроминиатюризации известных тепловизоров, а также возможности автоматизации сборочных процессов и тестирования фотоэлектронных блоков (ФП) в процессе изготовления тепловизоров.
4. Из-за больших габаритных размеров и значительной массы возникают также ограничения широкого применения известных тепловизоров для прорывного индустриального развития таких отраслей экономики РФ, как современное станкостроение и приборостроение, автоматизация и робототехника, высокотехнологичная медицина, телекоммуникационные технологии, исследование природных ресурсов.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель и предлагаемые технические решения.
С целью уменьшения занимаемых размеров, веса и количества отдельных блоков тепловизора на основе гибридного ФП с оптическим выходом (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) указанные блоки изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают в виде топологических узлов, систем и композиций элементов на двух кристаллах: дополнительном (третьем) кристалле массива (матрицы) излучателей и кристалле мультиплексора.
При этом в предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизоров на основе гибридных ФП и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков (ФП) в гибридном исполнении используют бескорпусную гибридную микросборку двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным, третьим кристаллом массива (матрицы) оптических излучателей.
Из нижеследующего подробного описания должно быть ясно, что возможны другие варианты реализации настоящего изобретения, причем различные варианты реализации изобретения показаны ниже для примера.
Понятно, что изобретение применимо к другим, отличающимся вариантам реализации, и различные его детали могут быть модифицированы в различных аспектах, но без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание, по существу, имеют иллюстративный характер и не означают ограничений. Возможные варианты реализации настоящего изобретения и ограничения заключаются в формуле настоящего изобретения.
Техническими результатами изобретения по конструкции тепловизора на основе гибридного ФП являются:
1. обеспечение максимальной микроминиатюризации конструкции тепловизора и существенное расширение области применения;
2. сохранение заданного шага ФЧЭ, ФД и излучателей и уменьшение искажения визуализируемой информации из-за разных размеров ячеек ФП и ячеек экрана дисплея (монитора);
3. увеличение вероятности обнаружения визуализируемых объектов и повышение качества изображений посредством создания комбинированной, совмещающей широкополосную и узкополосную части, спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора.
Техническими результатами изобретения по способу изготовления тепловизора на основе гибридного ФП являются: расширение технологической области применения вариантов способа изготовления, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления, повышение выхода годных изделий, уменьшение себестоимости тепловизоров, расширение области применения создаваемых тепловизоров и максимальная миниатюризация конструкции тепловизоров.
Обобщенными техническими результатами изобретения являются:
1. В предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизора на основе гибридного ФП (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков (ФП) в гибридном исполнении используют бескорпусные гибридные микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФЧЭ и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами.
2. Отдельные блоки тепловизоров изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают на кристалле мультиплексора ФП в виде топологических узлов, систем и композиций элементов для уменьшения размеров и количества указанных блоков.
3. Формирование комбинированной спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора, совмещающей широкополосную и узкополосную части, за счет использования разных ФЧЭ: например, КРТ-фотодиодов и МСКЯ-фотодетекторов различных ИК спектральных диапазонов, или микроболометров, работающих в разных диапазонах.
4. Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.
СУЩНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ
Технический результат достигается четырьмя вариантами изобретения.
Технический результат первого варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и третий дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, n≠m при n = 1 или при m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает инфракрасный (ИК) или терагерцовый (ТГц) фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
Технический результат второго варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);
над каждым ИК или ТГц фотодетектором в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц спектральных диапазонов, соответственно;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра ИК или ТГц фотодетектора в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора.
Технический результат третьего варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);
над каждым оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы соответствующего оптического спектрального диапазона;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра оптического излучателя в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора.
Технический результат четвертого варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и второй дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает ИК или ТГц фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
ОСОБЕННОСТИ СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ
Тепловизор на основе гибридного ФП с оптическим выходом (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) в нано- и микроэлектронном исполнении изготавливают на основе интегральных блоков и размещают на кристалле мультиплексора и на дополнительном (втором или третьем) кристалле излучателей в виде топологических узлов, систем и композиций элементов с целью уменьшения занимаемых размеров и количества отдельных функциональных блоков.
В тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника с дополнительным (вторым или третьим) кристаллом массива излучателей можно применять индивидуальные интегральные линзы соответствующих спектральных диапазонов как для ИК или ТГц фотодетекторов, так и для оптических излучателей.
В указанном тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника дополнительный (второй или третий) кристалл массива оптических излучателей можно располагать перевернутым и крепить снизу к обратной стороне хладопровода или мультиплексора гибридной микросборки, или монолитного ФП (как показано на фиг. 4, например); или разместить дополнительный кристалл рядом с ФП, на той же фокальной плоскости, где расположена матрица фотодетекторов, излучателями вверх. Во втором случае входное изображение будет поступать на многоэлементный фотоприемник, формирование выходного изображения будет осуществляться в том же направлении откуда поступает входное изображение, но со сдвигом в пространстве.
Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора на основе гибридного ФП с оптическим выходом, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на основе гибридного ФП с оптическим выходом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ (и иных материалов)
Сущность вариантов изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 приведены общий вид и поперечный разрез известного гибридного фотоприемника, выполненного на основе гибридной микросборки кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 3 - ячейки считывания, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 5 - индиевые микростолбы, 6 - кристалл мультиплексора, 7 - блок охлаждения.
На фиг. 2 приведена известная структурная схема обычного тепловизора на основе отдельных блоков: 7 - блок охлаждения, 8 - экран, 9 - фотоприемник, 10 - корпус (криостат), 11 - блок управления, 12 - блок предобработки фотосигналов, 13 - видеопроцессор, 14 - дисплей (монитор).
На фиг. 3 приведены общий вид и поперечный разрез тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом излучателей: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 3 - ячейки считывания, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 5 - индиевые микростолбы, 6 - кристалл мультиплексора, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 16 - дополнительный (третий) кристалл массива излучателей, 17 - излучатель.
На фиг. 4 приведена элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: 4 - ИК или ТГц фото детектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 20 - система мультиплексирования, 21 - блок с одно- или многоканальным выходом фотосигналов кристалла мультиплексора гибридного фотоприемника (тепловизора с оптическим выходом).
На фиг. 5 приведена элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: 22 - система мультиплексирования (на дополнительном {третьем} кристалле массива излучателей), 23 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 24 - блок управления элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 25 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель.
На фиг. 6 приведен базовый принцип (I) работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (эскиз): 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 26 - дополнительный (третий) кристалл массива (матрицы) излучателей.
На фиг. 7 приведен пример первого способа работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 26 - дополнительный (третий) кристалл массива (матрицы) излучателей, 27 - контактные площадки микрошлейфа, 28 - микрошлейф с металлической разводкой и контактными площадками.
На фиг. 8 приведен пример второго способа работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей: 4 - ИК или ТГц фото детектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 20 - система мультиплексирования, 21 - блок с одно- или многоканальным выходом фотосигналов кристалла мультиплексора гибридного фотоприемника (тепловизора с оптическим выходом), 22 - система мультиплексирования (на дополнительном {третьем} кристалле массива излучателей), 23 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 24 - блок управления элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 25 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель, причем субизлучатели И1 - И4 могут работать в разных спектральных диапазонах; 29 - элементарная интегральная ячейка считывания гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, 30 - гибридная микросборка двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, 31 - процессор сигналов, 32 - элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей.
На фиг. 9 приведен базовый принцип (II) работы тепловизора с оптическим выходом на основе монолитного фотоприемника в виде кристалла мультиплексора с интегрированным на него массивом (матрицей) фотодетекторов и с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей (эскиз): 1 - контактные площадки, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 27 - контактные площадки микрошлейфа, 28 - микрошлейф с металлической разводкой и контактными площадками, 33 - дополнительный (второй) кристалл массива излучателей.
В тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника с дополнительным (вторым или третьим) кристаллом массива излучателей можно применять индивидуальные интегральные линзы соответствующих спектральных диапазонов как для ИК или ТГц фотодетекторов, так и для оптических излучателей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фото детекторов и третий дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает инфракрасный (ИК) или терагерцовый (ТГц) фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
Второй вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);
над каждым ИК или ТГц фотодетектором в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц спектральных диапазонов, соответственно;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра ИК или ТГц фотодетектора в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора.
Третий вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);
над каждым оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы соответствующего оптического спектрального диапазона;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра оптического излучателя в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора.
Четвертый вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и второй дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает ИК или ТГц фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ
Бескорпусные гибридные ФП выполняют в виде гибридной микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФД и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами. В монолитном исполнении применяют ФП в виде кристаллов мультиплексоров с интегрированными на них массивами ФЧЭ или ФД. При необходимости бескорпусные гибридные ФП располагают на хладопроводе. Массивы (матрицы) ФД фотоприемников могут быть прямоугольными или квадратными, состоять из одного, двух, трех, четырех (например, в виде массива 2×2) и более элементов, что определяется требуемым пространственным разрешением ФП.
Гибридные или монолитные ФП, при необходимости, могут состоять из различных комбинаций ФД, фоточувствительных в разных (УФ, видимом, ИК, ТГц и/или др.) спектральных диапазонах и выполненных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), кремниевых фотодиодов, КРТ-фотодиодов, МСКЯ-фотодетекторов, детекторов на основе сверхрешеток или микроболометров, в зависимости от задачи, решаемой тепловизором с оптическим выходом. Такие гибридные или монолитные ФП обладают комбинированной спектральной характеристикой чувствительности за счет использования разных типов ФД, например, на основе микроболометров, работающих одновременно в разных спектральных диапазонах: ИК и ТГц.
Длинноволновую границу фоточувствительности, например, в ИК спектральном диапазоне обеспечивают конструкцией ФЧЭ, а коротковолновую границу фоточувствительности - "отрезающим" оптическим фильтром. Мультиплексор обеспечивает параллельное считывание и обработку сигналов матриц ФД заданных спектральных диапазонов. Последующую обработку и совмещение изображений в разных спектральных диапазонах от отдельных ФД осуществляют сигнальным видеопроцессором.
Разделение падающего на матрицы ФД и эмитированного (сформированного) массивами излучателей потоков излучения или фотонов, при необходимости, осуществляют в заданных спектральных диапазонах светоделителями. В некоторых случаях оптическую систему не применяют. Каждый ФД и каждый излучатель работают в своем заданном диапазоне.
Изображение визуализируемой сцены фокусируют на фокальную плоскость расположения матриц (массивов) ФД гибридного или монолитного ФП (фиг. 4, 9). В каждой элементарной интегральной ячейке считывания тепловизора с оптическим выходом, в ИК или ТГц фотодетекторах (4) с помощью устройства (18) считывания фотосигналов происходит фотоэлектрическое преобразование. Первый способ работы тепловизора с оптическим выходом на кристалле гибридного или монолитного фотоприемника. Под управлением блока (19) и с обработкой в блоках (19, 24) с аналоговым или цифровым ОЗУ считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления (драйвер) {23} оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией, предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ и сигналами управления. Излучатель (25), при необходимости, может состоять из 1-го, 2-х, 3-х, 4-х или более субизлучателей (например, И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель) соответствующих спектральных диапазонов. Сигналы драйвера (23) управляют излучением фотонов блоком (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4, 5, 9).
Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника несколько иным способом (вторым способом). Полученные в ФД под управлением устройства считывания (18) и блока (19) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как управляющие сигналы, поступают в блок 24 с ОЗУ каждой элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле гибридного или монолитного фотоприемника. Блок управления (24) совместно с ОЗУ выдают сигналы для драйвера (23), который управляет излучением фотонов блоком (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8, 9).
Для сравнения - первый способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника не использует внешний отдельный блок видеопроцессора, предварительная и основная обработка фотосигналов осуществляется во встроенных, интегральных процессорах (блоках обработки) в ячейках считывания на кристалле мультиплексора и в ячейках излучения на дополнительном (втором или третьем) кристалле массива (матрицы) излучателей тепловизора с оптическим выходом.
ПРИМЕР ПРЕДЛАГАЕМОГО ВАРИАНТА СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления вариантов создания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника (тепловизионного динамического преобразователя спектра сигнала) с достижением указанных технических результатов, приводим нижеследующий пример реализации.
Пример
Рассмотрим пример варианта тепловизионного динамического преобразователя спектра сигнала - тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом (фиг. 4, 8, 9).
Вариант тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусного гибридного или монолитного ФП в виде массива (матрицы) n×m фотодетекторов и излучателей, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1, отдельного видеопроцессора, отдельного блока охлаждения и отдельного блока управления, которые применяют при необходимости; при необходимости бескорпусной гибридный или монолитный ФП выполняют на основе кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов.
Каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом включает: инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов.
Каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом включает: встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
Каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на основе монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает: инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.
Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника двумя различными способами.
Первый способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Изображение визуализируемой сцены фокусируют на массив ФД гибридного или монолитного ФП (фиг. 4, 9). В фотодетекторах (4) с помощью устройства (18) происходит фотоэлектрическое преобразование. Под управлением и с обработкой блоков (18, 19, 24) с аналоговым или цифровым ОЗУ считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления (23) оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией и предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ и сигналами управления. Сигналы драйвера (23) управляют излучением блока (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4, 9).
Второй способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Полученные в ФД под управлением устройства (18) считывания и блока (19) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой (20) мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора (31) для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как внешние управляющие сигналы, поступают в блок 24 и в ОЗУ каждой элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника. Блок управления (24) совместно с ОЗУ выдают сигналы для драйвера (23), который управляет излучением блока (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8, 9).