Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор известных методов определения координат источников световых вспышек малой интенсивности 11
1.1. Актуальность задачи создания системы автоматического определения координат огневых целей 11
1.2. Основные принципиальные подходы к созданию системы автоматического определения координат огневых целей 17
1.3. Известные системы определения углового положения объектов и их дальности 20
1.4. Оптико-электронные пеленгаторы и координаторы 23
1.5. Оптико-электронные дальномеры 32
1.6. Преимущества пассивных систем пеленгации 39
2. Теоретические и экспериментальные исследования возможности построения автоматической двухканальной системы определения координат (АДСОК) кратковременных световых вспышек 41
2.1. Теоретические основы построения двухканальной системы - определения координат световых вспышек 41
2.1.1. Принципиальные предпосылки построения оптико- электронной системы автоматического определения координат цели по импульсному оптическому сигналу 41
2.1.2. Анализ и расчет теоретических и инструментальных погрешностей 43
2.1.3. Координатная привязка АДСОК, огневой цели и артиллерийской батареи 50
2.2. Исследование интенсивности, длительности, геометрических параметров и спектра излучения регистрируемых объектов 61
2.2.1. Исследование интенсивности, длительности и геометрических параметров выстрела в видимом диапазоне спектра 62
2.2.2. Исследование интенсивности, длительности и геометрических параметров выстрела в инфракрасном диапазоне спектра 72
2.2.3. Оценка спектральных параметров выстрела 80
2.3. Энергетический расчет АДСОК 82
2.3.1. Общие методические аспекты расчета 82
2.3.2. Энергетический расчет канала видимого диапазона 86
2.3.3. Энергетический расчет канала инфракрасного диапазона 91
2.3.4. Обоснование возможности повышения точности определения координат целей с использованием принципов комплексного совмещения каналов и двухспектрального анализа изображений 99
2.3.5. Разработка вариантов облика АДСОК 106
2.4. Экспериментальные исследования принципа измерения полярных координат 121
2.4.1. Лабораторные эксперименты 121
2.4.2. Полевые эксперименты 128
3. Исследование и разработка многоэлементных фотоприемных устройств (МФПУ), предназначенных для использования в АДСОК 141
3.1. Современный уровень разработок в области матричных ФПУ и анализ возможности их применения в АДСОК 141
3.1.1. Матричные ФПУ видимого диапазона 141
3.1.2. Матричные ФПУ инфракрасного диапазона 153
3.2. Направления совершенствования матричных ФПУ для АДСОК 163
3.3. Исследование и обоснование конструктивных, схемотехнических и технологических требований к ПЗС-матрицам видимого и инфракрасного диапазонов 164
3.3.1. Основы приборов с зарядовой связью (ПЗС) 164
3.3.2. Технология изготовления ПЗС-фотоприемников 167
3.3.3. Схемы организации ПЗС-фотоприемников 171
3.3.4. Антиблуминг и электронная регулировка времени накопления 174
3.3.5. Схема организации переноса заряда 176
3.3.6. Выходные устройства 177
3.3.7. Характеристики линейчатых и матричных ПЗС-фотоприемников І 178
» 3.3.8. Матричные ПЗС-фотоприемники инфракрасного диапазона 186
3.4. Факторы, ограничивающие пороговые характеристики матричных фотоприемников длинноволнового инфракрасного диапазона и пути их преодоления .' 190
3.4.1. Анализ основных факторов, ограничивающих пороговые характеристики МФПУ 190
3.4.2. Ограниченность динамического диапазона выходного устройства ИС СПО 191
3.4.3. Неравномерность чувствительности массива фоточувствительных элементов 193
3.4.4. Ограниченность накопительных емкостей ячеек ИС СПО 194
3.4.5. Другие ограничения 197
3.4.6. Пути снижения негативного эффекта от ограничивающих факторов 197
3.5. Исследование и обоснование конструктивных, схемотехнических и технологических требований к ФПУ инфракрасного диапазона на основе структур с квантовыми ямами (СКЯ), полученным методом МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) 198
3.5.1. Фотоприемники длинноволнового инфракрасного диапазона на основе СКЯ 198
3.5.2. Технологические особенности выращивания СКЯ методом МОСГЭ 200
3.5.3. Фотоэлектрические характеристики СКЯ, выращенных методом МОСГЭ 201
3.5.4. Микросхемы считывания сигналов с многоэлементных фотоприемников 210
3.5.5. Многоэлементные фотоприемники на основе СКЯ 212
3.5.6. Перспективы использования фотоприемников с СКЯ 214
3.6. Исследование и обоснование конструктивных, схемотехнических и технологических требований к современным инфракрасным фотоприемникам на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), полученным методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) 214
3.6.1. Место КРТ-структур в общих тенденциях развития инфракрасных фотоприемников 214
3.6.2. Развитие МЛЭ КРТ для тепловизионной техники 218
3.6.3. Перспективы использования МЛЭ для производства ГЭС КРТ 236
3.7. Мероприятия по улучшению МФПУ 238
Заключение 243
Список литературы
- Основные принципиальные подходы к созданию системы автоматического определения координат огневых целей
- Принципиальные предпосылки построения оптико- электронной системы автоматического определения координат цели по импульсному оптическому сигналу
- Матричные ФПУ инфракрасного диапазона
- Пути снижения негативного эффекта от ограничивающих факторов
Введение к работе
Анализ характера боевых действий противоборствующих сторон в ходе войн и военных конфликтов последнего времени, показывает, что развитие стрелкового вооружения (пистолетов, автоматов, винтовок, пулеметов, гранатометов и т.п.) и способов их применения привели к существенному повышению боевой эффективности отдельных стрелков и снайперов. Высокая боевая эффективность снайперов обусловлена скрытностью их боевой работы и точностью ведения огня. Современные боевые действия в локальных конфликтах с применением партизанской тактики иногда образно называют борьбой снайперов. Поэтому весьма актуальной является задача обнаружения местоположения снайперов противодействующей стороны. Однако создание таких средств осложняется тем, что установление координат вспышек стрелкового оружия является более трудным по сравнению с аналогичной задачей для других видов вооружения. Причины - относительно низкая сила излучения при выстреле, применение специальных устройств для бесшумно-беспламенной стрельбы, тщательная маскировка и высокая мобильность снайпера. Кроме того, не следует забывать, что аппаратура военного назначения должна работать в условиях плохой погоды, ограниченной видимости, в специфических условиях поля боя и, по возможности, скрытно. Указанные обстоятельства обусловливают повышенные требования по точности и быстродействию системы определения координат целей, обнаруживающих себя блеском выстрелов.
Практикуемая в настоящее время система засечки подобных огневых средств предусматривает использование двух достаточно далеко друг от друга (100 м и более) расположенных разведывательных теодолитов. Наблюдение ведется одновременно двумя операторами, поддерживающими между собой телефонную либо радиосвязь. Расчет дальности выполняется триангуляционным методом, то есть из соотношения сторон и углов треугольника, вершинами которого являются 2 точки наблюдения и цель. В ночных условиях синхронность засечки цели обеспечивается отсчетом по секундомеру на обоих наблюдатель-
ных пунктах. Однако такой способ определения координат цели является весьма трудоемким, длительным и требует постоянного присутствия нескольких наблюдателей. Система не является мобильной и пригодна к использованию только в позиционных условиях.
От перечисленных выше недостатков свободна система оперативного автоматического определения полярных координат огневых целей, основанная на идее двухканальной регистрации световой вспышки с помощью многоэлементных (линейчатых или матричных) фотоприемных устройств (МФПУ) с последующим вычислением ее полярных координат [1,2]. Эффективность такой системы может быть дополнительно повышена за счет комплексирования каналов, т.е. регистрации в каждом канале излучения вспышки одновременно в несколь-ких спектральных диапазонах [3].
Выполнение поставленных задач требует также правильного подбора фотоприемников (ФП), а в большинстве случаев - изготовления заказных ФП.
В соответствии с изложенным целью работы являлось исследование, расчет и разработка оптико-электронных систем (ОЭС) на базе МФПУ для оперативного определения координат источников световых вспышек малой интенсивности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка общей концепции оперативного автоматического определения координат объекта с динамическими оптическими характеристиками, основанной на одновременном использовании двух пространственно разнесенных каналов регистрации изображений посредством МФПУ;
расчет энергетических параметров ОЭС определения координат источников световых вспышек малой интенсивности;
разработка методики расчета координат целей, выявление, анализ и учет теоретических и инструментальных погрешностей автоматической двухканальной системы определения координат (АДСОК);
разработка макетного образца АДСОК для проверки теоретических основ и алгоритма вычисления координат объектов по индуцируемым ими свето-
вым вспышкам;
проведение лабораторных и полевых исследований принципа определения координат источников световых вспышек малой интенсивности;
исследование конструктивных, схемотехнических и технологических параметров МФПУ, оказывающих критическое влияние на параметры и возможность создания АДСОК.
Научная ценность работы заключается в создании теоретических основ функционирования и исследовании ОЭС на базе МФПУ, предназначенных для определения координат источников световых вспышек малой интенсивности. При этом впервые:
1. Разработаны основы теории автоматического определения координат источников световых вспышек малой интенсивности методом их двухканаль-ной и двухспектральной регистрации с помощью МФПУ, в том числе:
обоснован выбор МФПУ в качестве датчиков световых вспышек малой интенсивности;
обоснован комплекс требований к характеристикам линейчатых и матричных фотоприемных устройств (ФПУ), в том числе в части спектральной чувствительности, пространственного разрешения и пригодности использования в полевых условиях;
обоснован комплекс требований к фоточувствительным материалам для МФПУ инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов;
даны методики анализа и расчета теоретических и инструментальных погрешностей ОЭС на базе МФПУ;
обоснован выбор оптических схем объективов для ОЭС на базе МФПУ;
теоретически обосновано повышение точности определения координат целей с использованием принципов комплексного совмещения каналов и двух-спектрального анализа изображений.
2. Обоснованы комплексные требования к перспективным ФПУ разных типов на основе различных фоточувствительных материалов по сочетанию их технологических, конструктивных, схемотехнических и функциональных ха-
рактеристик, в том числе:
ПЗС-матрицам видимого диапазона;
кремниевым ФПУ ИК диапазона;
ФПУ ИК диапазона на основе структур с квантовыми ямами, полученным методом МОС-гидридной эпитаксии;
современным ИК ФП на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), полученным методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Практическая значимость работы состоит в разработке принципов проектирования ОЭС оперативного автоматического определения координат источников световых вспышек малой интенсивности. В ходе исследований также:
предложена и проверена экспериментально концепция построения АДСОК источников световых вспышек малой интенсивности;
разработана комплексная методика подбора матричных ФПУ в соответствии с особенностями их конструкций и технологий изготовления для получения оптимальных функциональных характеристик АДСОК;
разработан способ выравнивания неравномерной чувствительности линейчатых ФПУ со сканированием;
разработан комплекс технических требований к электронным блокам АДСОК;
проведен комплекс исследовательских работ по схемотехническим, конструктивным и технологическим усовершенствованиям широкой номенклатуры МФПУ, имевших целью получение оптимальных функциональных характеристик АДСОК;
выявлены причины принципиальных ограничений параметров матричных ФПУ и предложены пути их преодоления;
разработан порядок использования специальной терминологии для оп-тоэлектронной техники и фотоники на основе сложившихся тенденций и современных достижений в этой области.
Диссертационные исследования проводились в соответствии с «Целевой комплексной программой развития систем тепловидения и средств ночного ви-
дения в интересах всех видов вооруженных сил на период до 2005 года» (шифр «Инфравид-2005»), включенной в государственный оборонный заказ Постановлением Правительства РФ № 440-30 от 17.04.99 г., и «Комплексной целевой программой развития оптических и оптико-электронных средств военного назначения» (шифр «Оптика-ХХІ»), включенной в государственный оборонный заказ Постановлением Правительства РФ № 75-4 от 01.02.01 г.
Результаты диссертационных исследований в виде инженерных моделей, оригинальных технических решений, методик испытаний и др. внедрены в Конструкторско-технологическом институте прикладной микроэлектроники (КТИ ПМ) СО РАН, Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН, Сибирской государственной геодезической академии (все Новосибирск), ФГУП «ВНЦ «Государственный оптический институт им. СИ. Вавилова»» (Санкт-Петербург), ФГУП НЛП «Пульсар», ФГУП НИИ «Полюс», ФГУП НПО «Орион», ФГУП «Альфа», ЗАО «МНИТИ» и ГУДП «НИИТЭП» (все Москва).
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XV, XVI и XVIII Международных научно-технических конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 1998, 2000 и 2004 гг.), X, XII и XIII Международных научно-технических конференциях «Лазеры в науке, технике, медицине» (Сочи 1999, 2001, и 2002 гг.), LIII Международной конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2003 г.), Совещании «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники. Фотоника-2003» (Новосибирск, 2003 г.), IV Межведомственной научно-практической конференции «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле» (Сосновый Бор, 2004 г.), Научно-технической конференции «Дистанционное зондирование Земли. ДЗЗ-2004» (Сочи, 2004 г.), отраслевых и ведомственных конференциях и совещаниях.
По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения, 8 статей в центральных журналах и 10 тезисов и материалов докладов международных конференций; по вопросам терминологии подготовлен и издан терминологический словарь-справочник.
Основные принципиальные подходы к созданию системы автоматического определения координат огневых целей
Выстрелы из стрелкового оружия - автомата, пулемета, винтовки (включая снайперскую), гранатомета и др. - сопровождаются многими демаскирующими признаками, среди которых можно выделить следующие [4]: - электромагнитное излучение, сопровождающее вспышку выстрела, в видимом и ИК диапазонах длин волн; - звуковая волна, сопровождающая выстрел из оружия, или дульная волна выстрела; - звуковая ударная или баллистическая волна, сопровождающая полет пули со сверхзвуковой скоростью; - звуковая волна турбулентного шума пули (гранаты) при ее полете со скоростью ниже звуковой; - радиолокационный контраст пули (гранаты) на траектории.
Засечка позиций стрелков (снайперов) может осуществляться по демаскирующим признакам при использовании методов пассивной или активной пеленгации (локации), а эффективное подавление огневых позиций невозможно без оперативного определения расстояния до них.
Методы пассивной пеленгации базируются на регистрации энергии акустических или электромагнитных волн, генерируемых самой целью, так как звук, свет [в ультрафиолетовом (УФ), видимом и ИК диапазонах спектра] и радиоволны всегда сопровождают выстрелы из оружия и полет пули или гранаты. Основу пассивных ОЭС составляют тепловизионные (ТпВ) или телевизионные (ТВ) устройства, которые способны обнаруживать цели, измерять их угловые координаты и производные от них по времени.
Определение угловых координат цели производится с помощью анализатора изображения. Если анализатор изображения формирует выходной сигнал ФП в прямоугольной системе координат в виде электрических сигналов, пропорциональных продольному и поперечному углам рассогласования цели, то эти информационные сигналы можно после усиления непосредственно подать в исполнительную систему привода. Если анализатор изображения формирует выходной сигнал ФП о рассогласовании цели в полярной системе координат в виде электрических сигналов, несущих информацию об угле рассогласования и угле фазирования цели, то в пеленгатор нужно включать блок преобразования координат цели из полярных в прямоугольные [10]
Современные пеленгаторы обеспечивают обнаружение и захват цели и последующее ее сопровождение в секторе не менее 60 -ь 120, при этом углы рас согласования цели могут достигать нескольких десятков градусов.
Реализация методов активной пеленгации осуществляется с использованием лазерных и радиолокационных средств. Активные ОЭС, кроме угловых координат и их производных по времени, способны измерять расстояния до обнаруженного объекта, а также скорости изменения их во времени. В этом их безусловное преимущество перед пассивными методами.
Наибольшее распространение приборы автоматической пеленгации получили в системах самонаведения (ССН) летательных аппаратов (ЛА) в виде оптических головок самонаведения (ОГС), принцип действия которых определяется принципом действия его основного блока - координатора цели.
Простейший координатор цели определяет положение цели в системе координат, жестко связанной с корпусом самолета или снаряда, измеряя отклонение цели от продольной связанной оси ЛА. Такой координатор цели называется измерительным. Его продольная ось жестко связана с продольной осью.
В другом варианте продольная ось координатора стабилизирована в пространстве с помощью стабилизатора, например, гироскопического и имеет возможность отклоняться от продольной оси ЛА в определенных пределах. Тогда говорят, что продольная ось координатора развязана относительно осей связанной системы координат ЛА. Такой координатор называется следящим. Он измеряет непосредственно отклонение цели от стабилизированной оси оптической системы (ОС). Это обеспечивает определение положения цели относительно связанных осей снаряда, так как угол между стабилизированной осью координатора и продольной осью ЛА в приборе всегда известен.
Для захвата цели следящие ССН снабжаются поисковым сканирующим устройством, обеспечивающим обзор пространства предметов в пределах значительного углового сектора, или наводятся предварительно на цель с помощью ИК или радиотехнического пеленгатора или стрелкового прицела.
После захвата цели оптико-электронный координатор (ОЭК), следя за целью с помощью приводов, обеспечивает непрерывное сопровождение цели, в ходе которого изображение цели находится на чувствительной площадке ФП.
Угловые координаты точечной цели в пределах угла мгновенного поля зрения определяются с помощью анализатора изображения, который, анализируя суммарный лучистый поток, вошедший во входное окно прибора, выделяет точечное изображение цели и создает сигнал с информацией о смещении цели в поле зрения ОС. Это определяет угловые координаты цели относительно связанной системы координат пеленгатора, так как угловое отклонение оптической оси в этой системе можно измерить в приборе в любой момент с достаточно высокой точностью.
В современных следящих ССН применяют ОС с углом поля зрения не более нескольких градусов. Чем меньше угол поля зрения ОС, тем выше помехоустойчивость прибора. Следовательно, следящие приборы самонаведения не только более точны в сопровождении цели, но и более помехоустойчивы в отношении фонов и активных помех. Следящие ССН с гироприводами по сравнению с измерительными более дороги и громоздки из-за включения гиросисте-мы, но в современных условиях они более эффективны [10]. И все же при выборе конкретной системы применения главное достоинство методов пассивной пеленгации — скрытность - в боевых условиях часто является решающим фактором.
Принципиальные предпосылки построения оптико- электронной системы автоматического определения координат цели по импульсному оптическому сигналу
Как уже указывалось ранее, измерительный комплекс должен включать в себя модули входных светосильных объективов, систему базирования оптических каналов, модули МФПУ, систему согласования ФПУ, модуль электронной и математической обработки сигналов, модуль электропитания [19,20].
Принципиальная схема определения координат цели Ц представлена на рис. 1.2. ОЭС состоит из двух полностью идентичных оптических каналов с параллельными осями, разнесенными на расстояние В. В фокальных плоскостях объективов, условно показанных в виде тонких компонентов, расположены ФПУ, содержащие по N рабочих элементов шириной 5/ и угловым размером 5со. Объективы с центрами О} и ( имеют фокусное расстояние /и угол поля зрения 2со. Точечное изображение вспышки проектируется на элементы ФПУ с номерами соответственно щ и П2, отсчитываемыми от центра поля зрения; при этом п\ —П2 = An, а расстояния от осей объективов до изображений цели равны /i + 5//2 и /2 + 5//2..
Принимая N - четным и выбирая за начало отсчета точку О, находящуюся посередине между объективами, найдем значения координат цели в прямоугольной системе хОу: ;; В(11+1г + Ы) /в " 2(/,+) " /,-// или, после подстановок l\ = п\51 и /2 = njbl,
Рассмотрим работу системы более подробно [21]. Для этого обратимся к рис. 2.2, поясняющему принцип измерения координат цели с учетом размеров ячеек ФПУ. По-прежнему считаем оптическую систему идеальной, а изображение цели - точечным. Тогда мерой неопределенности положения цели в каждом канале будет являться угловой размер рабочего элемента ФПУ, определяемый главными лучами 0\b, 0\d и О2С, 02b соответственно. В пространстве предметов пересечение этих лучей образуют фигуру abed, которая может рассматриваться, как теоретическая мера неопределенности положения цели Ц. Для минимизации теоретической ошибки естественно принять, что цель находится на середине большего из отрезков ab и cd, причем, как легко убедиться, во всех практически важных слЕсли считать допустимой теоретическую ошибку определения дальности в пределах 0,5%, то при углах ш/2 и а до 5 будем иметь BN 35L. (2.10)
Отсюда видно, что при измерениях даже небольших дальностей произведение конструктивных параметров BN оказывается очень большим (например, L = 1000 м, В = 7 м, N = 5000). Поэтому необходимо предусматривать специальные дополнительные меры для точного определения энергетического центра изображения. Когда считывание информации производится с точностью до \1к одного элемента (к 1), вместо (2.9) и (2.10) можно принять соответственно учаях имеет место ab cd; следовательно, (5L)0 = ab/2.
Таким образом, теоретическая ошибка в определении угловых координат цели определяется только угловым размером единичного элемента приемника и (в значительно меньшей степени) углом направления на цель. Принимая, например 2а 10, получим в угловых минутах 5а 1700(5со). Следовательно, при (5а)о 1 угловой размер элементов должен находиться в пределах боз 0,0006 . Последнее требование не является жестким: в частности, при/= 250 мм допускается 5/ « 0,15 мм, а при/= 500 мм - 5/« 0,3 мм.
Еще одна проблема - инструментальные погрешности. Основные из них выявляются непосредственно из формулы (2.3). Это - погрешность базирования 8В и погрешность фокусных расстояний 8/ объективов (погрешности изготов ления ФПУ, определяющие размеры /ь 12 и 8/ считаем пренебрежимо малыми). Поскольку между указанными параметрами и измеряемой дальностью зависимость прямо пропорциональная, то, очевидно, относительные погрешности также будут пропорциональны: (ЬЬ) -у[р\ЪВ\ = yjp(5/}, где/? - количество принимаемых во внимание погрешностей. Полагая, что в сумме инструментальные погрешности не могут превышать теоретической погрешности, будем иметь (о7?) (51)оД/? H( )-(SL)o/V? Однако наиболее существенная и скрытая погрешность заключается в раз-нофокусности объективов каналов. Если в первом канале фокусное расстояние равное а во втором — g/Хгде g « 1), то вместо выражений (2.3) и (2.4) для дальности L и угла а направления на цель получим: B +bQg -l + dl)]2 +f2[2llg + 5l(g-l)-2l2]\ 2[(/1+5/)g-/2](/lg-/2-50 t _L W.+8Qg2-/2( 2 + 5Q gf 2llg-2l2 + 5l(g-\)
Для примера рассмотрим ошибки ЪЬ и 5а, возникающие по указанной причине на дистанции порядка 1 км [номинальное значение L = 1017 м при В = 2 м, /= 228,6 мм, 5/ = 0,01 мм, h = 10,20 мм, /2 = 9,75 мм и (6Х)0 = 23 м]: g 0,995 0,996 0,997 0,998 0,999 1,001 1,002 1,003 1,004 1,005 5L,M 131 102 75 49 24 -22 -44 -64 .-84 -103 (5а) 0,35 0,23 0,21 0,13 0,06 -0,09 -0,16 -0,23 -0,31 -0,38 Как видно, даже при разнофокусности 0,1% возникающая погрешность измерения дальности составляет 22 24 м, т.е. практически равна теоретической ошибке. Чтобы снизить ее хотя бы в два раза необходимо иметь коэффициент g разнофокусности в пределах 0,9996 +- 1,0004.
Матричные ФПУ инфракрасного диапазона
Одним из основных направлений развития современной ИК техники является создание смотрящих матриц большого формата на спектральные диапазоны 3 - - 5 и 8 - - 14 мкм (ИК МФПУ) [41,42]. Тепловизоры на основе таких матриц не требуют оптического сканирования при формировании сигнала изображения и должны реализовывать преимущества обработки фотосигнала, связан ные с большим временем его накопления. Последнее в пределе может быть равно времени кадра, которое, как правило, определяется инерционностью человеческого глаза.
К настоящему времени реализованы крупноформатные гибридные фокальные матрицы различного типа, в том числе на основе узкозонных полупроводников HgCdTe и InSb, а также квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs [43]. В таких приборах матрица ФЧЭ из соответствующего полупроводника соединяется с помощью индиевых столбиков с кремниевой микросхемой, выполняющей функции накопления, усиления и коммутации фотосигнала. Созданы также планарные матрицы на основе фотодиодов Шоттки из PtSi и гетеропереходов GeSi/Si, объединенных с элементами обработки сигнала на единой кремниевой подложке. Разработаны крупноформатные неохлаждаемые болометрические матрицы. Предпринимаются попытки создания перспективных для ИК матриц фотодетекторов на основе квантоворазмерных гетероструктур GeSi/Si, 5-легированных квантовых ям и сверхрешеток, а также на основе других сложных полупроводников [44].
Вместе с тем, наиболее значительные успехи в области создания матричных ФП ИК диапазона с высокими пороговыми характеристиками достигнуты на пути разработки высококачественных фотодиодов на основе HgCdTe, которые на сегодняшний день являются основным элементом для создания фокальных матриц.
Из материала Hgi.xCdxTe сх« 0,2 изготовляются фотодиоды на спектральный диапазон 8 -М4 мкм, как на основе п+-р, так и //-«-переходов, причем наиболее отработанной является технология «+-/?-переходов. Шум таких р—п-переходов является белым вплоть до частот порядка 1 -МО Гц. На основе высококачественных HgCdTe «+-/?-переходов разработаны крупноформатные матрицы и линейки. Из Hgi_xCdxTe состава х 0,3 также разработаны фотодиоды с малыми темновыми токами, что дало возможность повысить рабочую температуру крупноформатной фокальной матрицы на спектральный диапазон 3- -5 мкм вплоть до уровня термоэлектрического охлаждения. В этом заключается главное преимущество ФП на основе HgCdTe на спектральный диапазон 3 - - 5 мкм перед ФП из InSb, рабочую температуру которых существенно повысить не удается.
В отличие от фокальных матриц на основе PtSi, гетеропереходов GeSi/Si, а также квантовых ям и сверхрешеток, квантовая эффективность фокальных матриц на основе HgCdTe близка к единице. Фотодетекторы на основе квантовых ям и сверхрешеток, к тому же, обладают селективным по поляризации поглощением (нормально падающее излучение поглощается слабо).
Пороговые характеристики квантовых фотодетекторов на основе HgCdTe, в принципе, лучше, чем болометрических ФП. В квантовых фотодетекторах, например, при межзонном поглощении ИК излучения, каждый поглощенный фотон генерирует электронно-дырочную пару, которая и определяет фототок. В тепловых ФП энергия поглощенного фотона перераспределяется между всеми подсистемами кристалла. Поэтому чувствительность тепловых приемников ниже, чем квантовых. Отметим также, что пороговые характеристики фотодиодов на основе Hgi.xCdxTe состава JC & 0,2 лучше, чем у фоторезисторов на основе квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs.
Попытки создания на основе узкозонных полупроводников фоточувствительных ПЗС или с зарядовой инжекцией (ПЗИ) (успешно реализованные на основе Si) также натолкнулись на значительные сложности. Это связано с тем, что в узкозонных полупроводниках туннельный ток существенно ограничивает коэффициент переноса и быстродействие. Кроме того, граница раздела «узкозонный полупроводник-диэлектрик» характеризуется достаточно высокой плотностью состояний, что, естественно, ухудшает пороговые характеристики таких матриц. Поэтому достигнутый сегодня формат ПЗС среднего ИК диапазона на основе HgCdTe существенно меньше, чем формат разработанных к настоящему времени гибридных матриц.
Пути снижения негативного эффекта от ограничивающих факторов
Конструкция четырехфазной ячейки
Конструкция четырехфазной фоточувствительной ячейки аналогична конструкции двухфазной за исключением того, что в четырехфазной отсутствует дополнительное подлегирование подложки (создающее асимметричную потенциальную яму и направленный перенос заряда в одном направлении). В зависимости от последовательности тактовых управляющих импульсов четырех-фазная ячейка обеспечивает: — возможность переноса зарядовых пакетов в двух направлениях вдоль ячейки; — накопление и хранение зарядовых пакетов в режиме двойной синхронизации одновременно под двумя рядом расположенными электродами (т.е. реализация 50-процентного заполнения ячейки).
Выходное устройство служит для преобразования зарядовых пакетов в напряжение. Эффективность выходного устройства определяется его коэффициентом преобразования, т.е. величиной выходного напряжения на единицу заряда (мкВ/е). В качестве конвертирующего элемента в выходном устройстве используется плавающая диффузионная «я+»-область (ПДО) или плавающий затвор (ПЗ). ПДО необходимо восстанавливать после каждого процесса измерения. При считывании заряда с помощью ПЗ разрушения заряда не происходит. Преимущество выходного устройства с ПЗ состоит в том, что его не надо перезаряжать после считывания каждого зарядового пакета. В некоторых приемниках это может быть важно, так как каждая операция восстановления потенциала считывающего узла - причина шумов выходного устройства. Однако выходное устройство с ПЗ имеет существенно меньшую крутизну преобразования по сравнению с выходным устройством с ПДО.
При необходимости шум перезарядки ПДО может быть устранен схемой двойной коррелированной выборки (correlated double sampling — CDS). Уровень шумов, определяемый импульсами восстанавливающего транзистора в выходной емкости, может быть записан с помощью быстрой выборки в схему запоминания и затем вычтен из выходного сигнала.
Характеристики линейчатых и матричных ПЗС-фотоприемников
Современные ФП на основе кремниевых линейчатых и матричных ФПЗС для видимого диапазона спектра (0,35 - - 1,0 мкм) и гибридных или монолитных кремниевых микросборок для РІК диапазона длин волн (3,0 + 16,0 мкм) представляют собой уникальный технический и научный инструмент для создания на их основе ФПУ интеллектуальных фотонных систем наземного, воздушного и космического базирования.
Одним из основных преимуществ этих ФП является собственно сам материал, из которого они изготовлены, - кремний. Такие его свойства, как высокая технологичность, низкая себестоимость, очень высокая однородность легирования примесями п- и /7-типов, отличная механическая прочность, надежность и долговечность позволяют создавать ФП очень высокого качества. Особенно актуальным это становится в настоящее время, когда к ФПУ предъявляются повышенные требования не только по параметрам качества, но и по условиям эксплуатации.
В таблице 3.9 приведены характеристики линейчатых ФПЗС, разработанных при непосредственном участии автора [61] в ГУП Н1И1 «Пульсар» и про приборы с зарядовой связью на 1024 и 2048 элементов соответственно. ЛФПЗС разработаны для различных сканирующих систем, обеспечивающих факсимильную передачу, распознавание оптических образов и т.п., которые требуют высоких разрешающей способности, чувствительности и скорости вывода данных. 1024 чувствительных элемента прибора MPL1024В обеспечивают разрешение 4,8 линий/мм при сканировании страницы шириной 218 мм, а 2048 чувствительных элементов прибора MPL2048B — 8 линий/мм при сканировании страницы шириной 256 мм.
Фоточувствительная область — ФЧЭ представляют собой фотодиоды квадратной формы с линейным размером 13 мкм. Фотодиоды отделены друг от друга диффузионными стоп-каналами, а их поверхность покрыта пассивирующим слоем двуокиси кремния, прозрачным для света. Поэтому фактор заполнения фоточувствительной ячейки составляет 100%. Фотоны оптического изображения проходят сквозь прозрачный слой двуокиси кремния и поглощаются в монокристалле кремния, порождая электронно-дырочные пары. Электроны, генерированные фотонами, аккумулируются в фотоячейке (в фотодиоде или под фотозатвором). Величина заряда, накопленного в каждой фотоячейке, является линейной функцией интенсивности падающего светового потока и времени интегрирования.
Разрешающий затвор (затвор переноса) — Зарядовые пакеты, накопленные в фотоэлементах приемника, переносятся по каналам под разрешающим затвором к сдвиговым регистрам в период времени, когда напряжение на затворе достигает высокого уровня. В приборах используется черезэлементная разборка зарядовых пакетах в аналоговые сдвиговые регистры. Разрешающий затвор также управляет временем экспонирования для чувствительных элементов.
