СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФРАКРАСНОЙ

Министерство образования и науки Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И
КАРТОГРАФИИ (МИИГА и К)
_____________________________________________________________
УДК 621.384.3
В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКИ
Допущено Учебно-методическим объединением по оптическому и
приборостроительному образованию в качестве методического пособия
МОСКВА 2011
В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Современные проблемы инфракрасной техники. - М.: Изд.
МИИГА и К, 2011. - 84 с.
Учебное пособие по дисциплине «Современные проблемы оптотехники» магистерской
образовательной программы высшего профессионального образования факультета оптикоинформационных систем и технологий по направлению 200400.68 – Оптотехника
составлено для студентов, изучающих дисциплины «Тепловизионные системы» и
«Современные проблемы оптотехники».
Кроме того, часть изложенного материала может быть использована при изучении
других дисциплин, входящих в основную образовательную программу.
Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные
проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении
контроля и тестирования.
Библиография - 76 наим.
Рецензент: проф., д.т.н. Г.М.Мосягин (МГТУ им. Н.Э.Баумана)
Московский государственный университет геодезии и картографии
СОДЕРЖАНИЕ
1. Классификация, современное состояние и тенденции развития инфракрасных систем
(ИКС) …………………………………………………………………………………………….4
2. Основные направления развития ИКС за рубежом ………………………….. ……. .11
3. Оптические системы современных ИКС ……………………………………………………15
3.1. Особенности оптических систем ИКС 3-го поколения …………………………….15
3.2. Новые оптические материалы ………………………………………………………. 19
3.3. Панорамные оптические системы …………………………………………………...26
3.4. Примеры оптических систем ИКС 3-го поколения ………………………………...29
4. Фотоприемные матричные устройства …………………………………………………….40
4.1. Фотоприемники на тройных соединениях КРТ ……………………………………41
4.2. Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям …………………………………..45
4.3. Фотоприемники на квантовых точках (ФКТ) ………………………………………49
4.4. Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II ….51
4.5. ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона …………………53
4.6. Перспективные охлаждающие устройства ФПУ …………………………………..54
4.7. Преобразователи ИК сигналов в видимые …………………………………………59
4.8. Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ ………………………………………..61
4.9. Оптическое считывание – один из путей совершенствования неохлаждаемых
приемников излучения …………………………………………………………………………64
5. Программное обеспечение ИКС 3-го поколения …………………………………………..73
6. Адаптивные ИКС 3-го поколения …………………………………………………………..77
Контрольные вопросы …………………………………………………………….. ……… .81
Библиография. . ……………………………………………………......................................82
1. Классификаия, современное состояние и тенденции развития
инфракрасных систем
В качестве важнейших областей применения инфракрасных систем (ИКС) можно
указать следующие:
 круглосуточная разведка, обнаружение и целеуказание в любую погоду;
 обнаружение минных полей;
 обнаружение противника (живой силы и техники) в условиях интенсивной
маскировки и активного противодействия;
 поиск движущихся и неподвижных объектов (целей) на больших площадях и
определение их координат;
 целеуказание и передача данных о координатах целей другим системам и операторам,
например, в систему наведения высокоточного оружия;
 автоматическое сопровождение движущихся и стационарных целей;
 автоматическая обработка сигналов для выдачи привязанной к карте информации на
экран оператора и в систему автоматического обнаружения объектов;
 обнаружение факелов ракет;
 обнаружение и классификация химических, в частности, взрывчатых и отравляющих
веществ;
 диагностика заболеваний людей и животных;
 контроль состояния зданий и других сооружений;
 борьба с пожарами и противопожарные мероприятия;
 охранные системы и системы противодействия терроризму;
 системы связи;
 системы управления летательными аппаратами;
 астрофизические исследования
и мн. мн. др.
Такие системы предполагается вводить в состав комплексов, включающих в себя
также системы терагерцового и миллиметрового диапазонов, другие радиоканалы.
В ряде случаев выделяют две группы ИКС, к одной из которых относят системы,
предназначенные для визуализации инфракрасных изображений (тепловизионные системы),
а к другой – системы, служащие для радиометрических измерений, т.е. для измерений
температуры объектов, их яркости и других параметров (радиометрические системы).
Иногда предлагается различать четыре подгруппы ИКС [2]:
1. системы профессионального телевидения и любительская аппаратура;
2. системы технического (машинного) зрения;
3. системы для научных исследований;
4. ИКС военного назначения.
Системы первой подгруппы должны отвечать ряду требований, предусмотренных
стандартами для вещательного телевидения и бытовой аппаратуры. Так, формат кадра (число
разрешаемых по горизонтали и по вертикали элементов) должен соответствовать полосе
частот, обусловленной телевизионным стандартом. Для получения удовлетворительного
изображения достаточно 8 бит (256) уровней передачи яркости – уровней серого. Часто
изображение должно быть цветным. Системы должны работать в реальном масштабе
времени, а выходным устройством для них является экран системы отображения (дисплей,
монитор). Часто для них не требуется очень высокой чувствительности (большого значения
отношения сигнал/шум). Иногда они используются в качестве систем второй и третьей
групп.
Системы технического зрения используются для определения пространственного
положения, формы, параметров движения различных объектов, часто в сложных
эксплуатационных условиях (высокая температура, большая влажность и т.д.). Они
используются в машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле. Для них, как
правило, необязательно следование стандартному телевизионному формату, но требования к
пространственному и временнóму разрешению могут быть велики, хотя и не всегда. Обычно
здесь также достаточно квантование по яркости порядка 8 бит. Иногда важна цветность
изображения. Сравнительно невелики здесь требования к пороговой чувствительности
системы, так как в большинстве случаев возможна подсветка наблюдаемых объектов. Работа
таких ИКС чаще всего происходит в реальном масштабе времени, а срок непрерывной
работы может быть весьма велик.
Системы для научных исследований и медицины должны, как правило, обладать
высоким пространственным (форматы до 5000х5000 элементов) и энергетическим (до 16
бит) разрешением и иметь малый уровень собственных шумов. К ним часто относят системы
для исследования природных ресурсов и экологического мониторинга, хотя их можно
отнести и ко второй группе ИКС. Для многих из таких ИКС не обязательна работа в
реальном масштабе времени, т.е. выходной сигнал может регистрироваться на носитель в
виде фотопленки, магнитной ленты, CD-диска, а не выноситься на экран в процессе работы
ИКС.
Системы военного назначения работают, как правило, в реальном масштабе времени,
хотя у некоторых из них отображаемая информация переносится на «твердый» носитель.
Примерами систем военного назначения являются системы наземной, воздушной и
космической разведки, системы обнаружения всевозможных целей (в том числе определение
координат пусков ракет), системы управления огнем, системы сопровождения и опознавания
целей, головки самонаведения ракет, навигационные системы и др. Они должны обладать
высоким пространственным разрешением, обеспечивать высокий контраст в условиях
низкой освещенности поля объектов, иметь высокое энергетическое разрешение (до 10…12
бит), малый уровень собственных шумов и высокое быстродействие.
Иногда эту классификацию укрупняют, говоря об ИКС военного или гражданского
(коммерческого) применения.
Применение двух- и многодиапазонных матричных фотоприемных устройств (ФПУ),
в которых выделение рабочих участков спектра (спектральных диапазонов) осуществляется
непосредственно в ФПУ, позволяет упростить оптико-механическую схему таких ИКС (ИКС
3-го поколения) [3], заметно уменьшить их габариты, массу и энергопотребление, увеличить
быстродействие. Наряду с такими системами в настоящее время успешно функционируют
двух- и многоканальные ИКС, в которых разделение на отдельные спектральные каналы
происходит в оптической системе. Иногда к ИКС 3-го поколения относят системы, в которых
один из спектральных каналов работает в видимой области спектра, а остальные - в
инфракрасной [4].
Большинству ИКС свойственно хорошее энергетическое, пространственное,
спектральное и временнóе разрешение, что позволяет осуществлять автоматическое или
полуавтоматическое распознавание и идентификацию различных источников излучения на
больших дальностях при наличии помех. В таких системах эффективно используются
различия в характере собственного и отраженного оптического излучения разных объектов
в различных спектральных диапазонах.
Возможность работать в двух и более спектральных диапазонах позволяет
обнаруживать и идентифицировать многие цели в широком диапазоне погодных условий,
при задымлении «рабочего» наблюдаемого пространства, при воздействии активных
контрмер или помех, используемых противником. В ряде систем один диапазон, например
длинноволновый ИК (8…14 мкм), используется преимущественно для обнаружения целей, а
другой, например средневолновый (3…5 мкм) – для их идентификации. В отличие от
однодиапазонных ИКС двухдиапазонные позволяют одновременно осуществлять
дистанционное измерение температуры цели и спектральную ее селекцию. Так, в системах
предупреждения ракетных атак противника они могут обнаруживать наличие CO2 и
выхлопного факела ракеты, что способствует снижению вероятности ложных тревог.
Разрабатываются ИКС 3-го поколения, работающие как пассивным, так и активным (с
подсветкой целей) методом [4]. Инфракрасные системы, работающие пассивным методом,
т.е. использующие собственное ИК-излучение наблюдаемых объектов, по сравнению с
системами активного типа, использующими искусственно создаваемое облучение
наблюдаемого поля или объекта (подсветку), позволяют не только выявить температурные
контрасты, но и обеспечить скрытность функционирования аппаратуры. При активном
методе работы ИКС, факт облучения поля или объекта легко обнаруживается специальной
аппаратурой. Кроме того, ИКС пассивного типа во многих применениях, например в
системах охраны и обеспечения безопасности, оказываются менее дорогостоящими,
особенно при длительной их эксплуатации.
При пассивном методе работы ИКС выделение рабочих спектральных диапазонов
ведется, главным образом, с помощью оптических фильтров, диспергирующих оптических
систем и многодиапазонных (многоспектральных) приемников излучения. При активном
методе работы такое выделение может быть достигнуто путем использования двух или более
источников, облучающих наблюдаемый объект или сцену и имеющих существенно
различные спектральные характеристики излучения, например, лазеров с различными
рабочими длинами волн.
Отдельным направлением развития ИКС является совершенствование систем
активно-пассивного типа, в которых активный канал включает генератор излучения (обычно,
лазер), облучающий сцену (обнаруживаемые или наблюдаемые объекты) и работающий, как
правило, в ближнем ИК-диапазоне, а в пассивном канале, обычно, в среднем и
длинноволновом ИК-диапазонах, принимается собственное излучение объектов. Часто
пассивный канал используется для предварительного обнаружения целей, а активный,
обладающий принципиально более высоким пространственным разрешением, - для
распознавания и идентификации целей. Кроме того, активный канал используется для
локации объектов, что позволяет получать трехмерную информацию в «смотрящем» режиме,
т.е. без механического сканирования.
Для многих практических применений ИКС важно получать информацию о
наблюдаемой сцене одновременно во всех рабочих спектральных диапазонах, чтобы
обеспечить работу системы в динамическом режиме, уменьшить искажения изображений изза взаимного относительного перемещения ИКС и сцены, устранить влияние быстрых
изменений фоноцелевой обстановки, т.е. условий эксплуатации системы, исключить
искажения из-за вибраций платформы-носителя ИКС и т.д. и т.п. В отличие от ИКС первых
поколений, в которых разделение на узкие рабочие спектральные диапазоны часто
осуществлялось с помощью механически сменяемых узкополосных оптических фильтров,
располагаемых перед приемником/приемниками излучения, т.е. путем последовательного во
времени просмотра сцены в разных спектральных диапазонах, при использовании ИКС 3-го
поколения заметно уменьшаются вероятности ложных тревог и увеличивается
эффективность работы системы.
Часто в отдельную группу ИКС 3-го поколения выделяют видеоспектрометры с
гиперспектральным разрешением – с очень большим числом разрешаемых спектральных
диапазонов (десятки и сотни) и достаточно хорошим пространственным разрешением при
использовании в их составе ФПУ форматов 320х240, 640х512 и более. Большинство
видеоспектрометров, обладающих хорошим быстродействием благодаря отсутствию
механического
сканирования,
а
также
небольшими
габаритами,
массой
и
энергопотреблением, работает в видимом, ближнем и средневолновом ИК-диапазонах.
В современных ИКС 3-го поколения используются последние достижения цифровых
методов обработки изображений. Так, нашли практическое применение цифровые системы
сложения изображений, образующихся в отдельных рабочих спектральных каналах. При
этом проще осуществляется регулировка яркости и выделение отдельных целей, устраняются
различия во времени формирования изображений в отдельных каналах, обеспечивается
большее угловое поле при независимой работе спектральных каналов. Кроме того, цифровое
изображение легче встраивается в общий комплекс наблюдения и управления операциями,
например боевыми.
К числу основных задач, стоящих перед разработчиками ИКС в на ближайшие 5…10
лет, относятся:
 разработка методики выбора оптимальных спектральных рабочих диапазонов для
систем конкретного назначения;
 определение корреляционных связей между сигналами, получаемыми в различных
спектральных диапазонах;
 классификация различных объектов (материалов, покрытий, образований),
обнаруживаемых или наблюдаемых с помощью ИКС;
 использование различий в поляризационных характеристиках отдельных объектов и
фонов, на которых они наблюдаются;
 совершенствование элементной базы, в частности, создание новых многодиапазонных
(многоспектральных) ФПУ высокого пространственного разрешения; оптических
систем, работающих в широком спектральном диапазоне; снижение масс-габаритных
параметров и энергопотребления; уменьшение стоимости компонентов ИКС и систем
в целом и т.д. и т.п.;
 создание адаптивных ИКС 3-го поколения;
 совершенствование методов проектирования и испытаний ИКС, в частности,
дальнейшее развитие компьютерного моделирования самих систем и условий их
эксплуатации.
Кратко рассмотрим некоторые признаки классификации современных и
перспективных ИКС.
Спектральный диапазон, занимаемый приходящим на вход ИКС оптическим
сигналом и используемый для получения информации о наблюдаемом объекте или
явлении. Инфракрасный диапазон оптического излучения с длинами волн от 0,76 до 1000
мкм часто разделяется на отдельные поддиапазоны. Одно из таких возможных разбиений
приводятся в табл. 1.1.
Некоторые ИКС работают одновременно в нескольких
поддиапазонах.
Таблица 1. Деление инфракрасного диапазона спектра
на поддиапазоны
Наименование поддиапазона
Ближний ИК
Коротковолновый ИК
Средневолновый ИК
Длинноволновый ИК
Дальний ИК
Длины волн в мкм
0,76…1,1
1,1…2,5
3,0…5,0
(2,5…7,0)
8,0…14,0
(8,0…12,0)
15,0…1000
Метод работы ИКС. Как и другие оптико-электронные системы, ИКС могут работать
по собственному и/или естественному отраженному излучению наблюдаемых или
контролируемых объектов (пассивный метод), по искусственно создаваемому с помощью
специального источника отраженному или рассеиваемому объектом излучению (активный
метод). Примером ИКС первого типа являются «бесподсветочные» системы переднего
обзора (forward looking infrared или FLIR – системы), второго – лазерные системы видения
(системы с «подсветкой» объекта лазерным излучением ИК диапазона). Иногда различают
полуактивный метод, когда используется облучение («подсветка») сравнительно широкого
углового поля, в котором находится не один, а несколько или много объектов 1.
Способ анализа наблюдаемого или контролируемого пространства. Обычно
анализ исследуемого или контролируемого пространства (поля, плоскости) ведется путем
пространственной и пространственно–временнóй выборки значений оптического сигнала
(яркости, освещенности) в отдельных участках этого пространства, т.е. путем сканирования,
хотя известны простейшие ИКС, где сканирование не производится, например, достаточно
широкоугольные простейшие системы обнаружения невидимых человеческому глазу
излучателей. Сканирование может проводиться в пространстве объектов или в пространстве
их изображений и различаться по ряду характерных признаков (траектория сканирования,
закон сканирования и ряд других). Различают одноэлементное, параллельное и
последовательное сканирование 1. В последние десятилетия часто говорят об ИКС
«смотрящего» типа и о сканирующих ИКС, относя к первым системы, в которых анализ поля
производится с помощью аналогов органов зрения живых существ – многоэлементных
матричных приемников оптического излучения (в зарубежной литературе FPA – focal plane
array), а ко вторым – системы с относительным взаимным перемещением изображения
анализируемого поля и одноэлементного, а чаще многоэлементного приемника в виде
линейки отдельных чувствительных элементов. Хотя такая терминология представляется не
вполне строгой, так как в большинстве случаев и в системах «смотрящего» типа
осуществляется не одновременный анализ сигналов, снимаемых со всех элементов
матричного приемника, а последовательная по времени пространственная их выборка, порой
по достаточно сложному закону, однако она установилась в литературе, и в дальнейшем мы
будем её придерживаться.
Способ обработки информации. Первичный оптический сигнал, поступающий на
вход ИКС, является обычно аналоговым. Дальнейшая его обработка в ИКС может быть
аналоговой, цифровой и смешанной. В последние годы предпочтение отдается цифровой
обработке, при которой достигается большая устойчивость сигнала к помеховым
воздействиям, обеспечивается лучшее качество системы передачи и воспроизведения
изображения.
Тип преобразователя оптического сигнала в электрический, т.е. тип приемника
оптического излучения, являющего часто и первичным анализатором изображения.
Это один из наиболее существенных признаков классификации ИКС, основанных как на
физическом принципе работы приемника излучения, так и на особенностях его конструкции.
Здесь различают: электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые по ряду
признаков, в том числе и отмеченных выше, относят к нескольким типам или классам;
фотоэлектровакуумные передающие телевизионные трубки с накоплением или без
накопления сигналов; многоэлементные твердотельные приемники оптического излучения
(тепловые и фотонные; охлаждаемые и неохлаждаемые; болометрические, фотодиодные,
фоторезисторные и др.). Поскольку сегодня именно приемник – преобразователь
оптического сигнала во многом определяет возможности и критерии качества работы ИКС, в
том числе и такие важные, как технико-экономические, во многом в соответствии с именно
этим признаком классификации будет строиться дальнейшее изложение материала в
настоящей книге.
Вид выходного устройства (системы отображения информации). Требуемая
конкретным назначением ИКС форма представления выходного сигнала определяет вид
системы отображения или, в более общем случае, выходного устройства, которым может
быть приемная телевизионная трубка, дисплеи различного типа, наконец, электронновычислительная машина (ЭВМ, компьютер). Выбор выходного устройства или системы
отображения часто во многом определяется свойствами зрительного аппарата человека–
наблюдателя или оператора.
Очевидно, возможно использовать и другие классифицирующие признаки, например,
технико-экономические и конструктивные параметры и характеристики ИКС.
Например, различают ИКС с системой охлаждения и без таковой, поскольку от наличия или
отсутствия системы охлаждения приемника излучения и всего фотоприемного устройства
(ФПУ), в которое он входит, заметно зависят важнейшие технико-экономические параметры
и характеристики ИКС – габариты и масса, энергопотребление, срок непрерывной работы,
время выхода на рабочий режим после включения, наконец, стоимость.
Часто по совокупности отдельных свойств и особенностей ИКС и их отдельных
звеньев, в особенности по конструктивным признакам, параметрам и характеристикам,
различают системы различных поколений, например, ЭОПы 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений
или ИКС в целом 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений (ИКС с одноэлементным приемником
излучения и оптико-механическим мультиплексированием выходного сигнала; ИКС с
оптико-механическим сканированием, приемником в виде линейки чувствительных
элементов и оптико-электронным мультиплексированием выходного сигнала; ИКС
«смотрящего» типа с матричным приемником и ИКС «смотрящего» типа с матричным
приемником, работающим в нескольких спектральных диапазонах).
Ряд признаков классификации, перечисленных выше, используется на этапах
системотехнического и схемотехнического проектирования ИКС; другие – на этапах
параметрического анализа и синтеза этих систем. Важно помнить, что классификация
является не самоцелью, а одним из средств обобщения системного методологического
подхода к созданию новых и модернизации имеющихся систем, использования при этом
единых методов расчета, проектирования, исследования и эксплуатации ИКС.
Основные задачи, решаемые с помощью ИКС визуализации.
Как
уже
отмечалось выше, применения ИКС весьма разнообразны. Однако можно выделить ряд
типовых задач, решаемых с их помощью. Для ИКС, предназначенных для обнаружения
объектов, наблюдения за ними, их распознавания, такими задачами являются.
Обнаружение – установление в процессе просмотра пространства объектов факта
наличия определенного объекта в угловом поле ИКС или на экране системы отображения. В
литературе встречается термин «чистое обнаружение» (pure detection), обозначающее
обнаружение для двухальтернативной ситуации: 1. «что-то присутствует» (в угловом поле
или на экране монитора) и 2. «ничего нет». Такая ситуация при ее оценке сводится к
дискриминационному обнаружению, при котором делается выбор одного из двух решений:
- наблюдаемый объект есть интересующая нас цель,
- наблюдаемый объект есть что-то другое, например, участок фона или помеха.
Классификация – фиксация того факта, что обнаруженный объект принадлежит
некоторому достаточно широкому классу, например, к классу наземной военной техники или
к классу летательных аппаратов и т.п.
Распознавание – установление принадлежности объекта к сравнительно узкому
классу (типу), например того факта, что объект является не просто объектом военной
техники, а танком или автомобилем, самолетом или вертолетом и т.п.
Идентификация – определение конкретного вида (типа) объекта внутри его класса,
например модели танка, самолета и т.п.
Иногда совокупность всех этих задач несколько упрощенно называют обнаружением
или распознаванием.
Решением всех указанных задач является получение статистических оценок,
поскольку работа практически всех ИКС происходит в условиях случайных изменений
сигналов, поступающих от обнаруживаемых или распознаваемых объектов, на случайно
изменяющихся фонах, при наличии помех и шумов, также описываемых случайными
функциями. Поэтому для оценки процессов обнаружения, классификации, распознавания и
идентификации применяются вероятности
правильного или неверного решения
поставленной задачи. Ниже при рассмотрении критериев качества работы ИКС, эти оценки
будут отдельно рассмотрены.
Многие современные ИКС одновременно с решением указанных задач или их
совокупности предназначены для измерения координат объектов (пеленгации или локации) в
статическом и динамическом (следящем) режимах, для целеуказания объектов или других
задач. Примером служат инфракрасные системы переднего обзора (FLIR – системы), широко
используемые для обзора передней полусферы с борта летательного аппарата.
Во многом успешное решение перечисленных задач зависит от эффективности
выделения характерных признаков объекта – спектра его излучения, формы и размеров его
изображения, временнóго характера излучения, ориентации в пространстве и др., т.е. от
выделения параметров и характеристик многомерного оптического сигнала – носителя
информации об объекте. Теория распознавания образов, в том числе, оптических сигналов
рассматривается в большом числе монографий, учебников, отдельных статей. В настоящей
книге основное внимание уделяется практическим приемам выделения признаков
оптических сигналов (изображений пространства объектов), реализуемым в отдельных
звеньях ИКС.
Подводя итог изложенному выше, можно считать, что основными проблемами
развития инфракрасной техники сегодня являются:
• развитие общей теории работы ИКС;
• совершенствование методов проектирования и технологии изготовления ИКС;
• повышение энергетического, пространственного, спектрального и временнóго
разрешения ИКС;
• расширение спектрального диапазона работы ИКС;
• создание новых оптических материалов и систем;
• совершенствование двумерных (матричных) многоэлементных приемников излучения
и схем обработки снимаемых с них сигналов;
• создание новых систем отображения информации, получаемой с помощью ИКС;
• совершенствование систем активно-пассивного типа.
2. Основные направления развития ИКС за рубежом
В настоящее время за рубежом наиболее интенсивно развиваются инфракрасные
системы 3-го поколения (ИКС-3), к которым относят системы, работающие в двух или более
спектральных диапазонах и имеющие в своем составе матричные фотоприемные устройства
(ФПУ). Наряду с, работающими в нескольких участках инфракрасного (ИК) спектра,
создаются системы, способные принимать оптические сигналы в ультрафиолетовом (УФ),
видимом и ИК диапазонах. Появилось достаточно много систем круглосуточного действия, в
которых для работы днем используется канал видимого излучения, а ночью или в условиях
плохой видимости – инфракрасный канал. В некоторых системах эти каналы работают
одновременно.
Совершенствование ИКС идет, в основном, за счет новых схемотехнических решений и
применения новой элементной базы, главным образом, новых оптических систем, ФПУ,
систем охлаждения, схем обработки сигналов, систем отображения и др. Ожидается, что
объем рынка ИКС, предназначенных только для целей разведывательных, охранных,
прицельных, обзорно-поисковых и некоторых других операций, в 2013 г. превысит 46 млрд.
долларов США [5]. В 2008 г. рынок ИКС оценивался примерно в 5,8 млрд долларов США
и с тех пор вырастал ежегодно примерно на 30%.
Приведем краткий обзор зарубежных публикаций, посвященных некоторым путям
совершенствования существующих и создания новых ИКС.
Министерство обороны США предложило для инновационных разработок ряд
проектов по созданию новых оптико-электронных систем (ОЭС) и их элементной базы [6]. К
ним, в частности относятся:
- создание компактных и облегченных следящих систем, работающих в активном,
пассивном и смешанном режиме. В пассивном режиме работы по собственному излучению
цели длинноволновая граница спектральной чувствительности λгр, которая сегодня равна
10,5 мкм, должна быть доведена до 14 мкм. Кроме того, предлагается разработать двух- и
многодиапазонные ОЭС со следующими сочетаниями рабочих спектральных поддиапазонов:
средне- и длинноволновый ИК, два длинноволновых ИК и видимый, длинноволновый и
дальний длинноволновый ИК, средневолновый и два длинноволновых ИК диапазона;
- разработка многоэлементных крупноформатных ФПУ на базе суперрешеток типа II
из полупроводниковых материалов III - IV групп с высокой однородностью пикселов и
малыми темновыми токами на больших подложках (диаметром более 6 мм). Форматы
однодиапазонных ФПУ должны быть 320 х 256 и до 2000 х 2000, а двухдиапазонных – более
1000 х 1000;
- разработка и изготовление крупноформатных матричных ФПУ с площадью
фоточувствительного слоя более 25 см2 для ОЭС дистанционного зондирования из космоса;
- разработка бортовых ОЭС, предназначенных для приема импульсного лазерного
излучения в линейном динамическом режиме (режиме счета фотонов) с низким уровнем
шумов и имеющих формат 128х128 пикселов и частоту кадров не менее 10 кГц;
- разработка усовершенствованных неохлаждаемых приемников ИК излучения,
приближающихся по своим параметрам к фотонным охлаждаемым ФПУ для
длинноволнового ИК-диапазона и использующих нанокристаллические перестраиваемые
оптические элементы. Нанотехнологии предусматривают получение размеров элементов в
100…1000 раз меньших, чем те, что используются в традиционных современных
устройствах. Это должно позволить уменьшить теплоемкость и увеличить теплопроводность
пикселов неохлаждаемых приемников. Предполагаемыми материалами являются углеродные
нанотрубки, сверхпроводники и другие, имеющие высокие температурные коэффициенты
сопротивления.
Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам
Армии США (DARPA) начало финансировать в 2009 г. несколько наиболее актуальных
направлений в области развития ИК систем (ИКС). К ним относятся:
- разработка систем с разрешением, определяемым частотой Найквиста
предназначенных для работы в условиях искажения изображения атмосферой, особенно
систем, устанавливаемых на вертолетах. Такие системы должны использовать ФПУ с
размерами пикселов 5х5 мкм2, начиная с формата 256 х 256 и до 2000 х 2000, работающие в
спектральном диапазоне 0,5…5,0 мкм при температуре охлаждения Tохл=200 К с
эквивалентной шуму разностью температур (ЭШРТ) в 20…50 мК при диафрагменном числе
объектива K=1 и имеющие удельную обнаружительную способность более 1011 Вт-1·см·Гц1/2;
- разработка схем обработки сигналов в условиях низкого пропускания атмосферы
(порядка 1,8%) для распознавания целей на дальностях до 500 м;
- разработка улучшенных схем считывания для ФПУ на основе рифленых структур с
квантовыми ямами формата около 2000х2000 с пикселами 15 мкм. Эти схемы считывания и
их ячейки должны иметь малые шумы и мощность рассеяния, обеспечивать большой
динамический диапазон и емкость хранения зарядов;
- разработка комплекса датчиков, работающего в двух режимах - в дневных и ночных
условиях (DUDE – Dual-Mode Detector Ensemble). В комплексе должен быть объединен
неохлаждаемый датчик для работы в длинноволновом ИК-диапазоне с форматом 640 х 512
пикселов размером 20 мкм (а впоследствии 1024 х 768 с пикселом 17 мкм) и датчик для
работы по отраженному излучению целей в спектральном диапазоне 0,4…1,6 мкм с
форматом 640х512 (пикселы размером 20 мкм), 1280 х 1024 (пикселы 10 мкм) и 2048 х 1536
(пикселы 8,5 мкм). Датчик длинноволнового ИК-диапазона должен иметь ЭШРТ порядка 30
мК при диафрагменном числе K=1 и времени накопления не более 12 мс. Датчик видимого и
ближневолнового ИК диапазонов должен иметь плотность темнового тока не более 5 нА/см2
при температуре 280 К и квантовую эффективность не менее 80% на граничной
пространственной частоте, определяемой дифракционным пределом разрешения. При
использовании лазерного целеуказателя (λ=1,06 мкм) и лазерного дальномера (λ=1,55 мкм)
первые образцы аппаратуры должны обеспечить распознавание человека на расстоянии 1,5
км при использовании объектива с диафрагменным числом 1,39 и угловым полем 10°.
Агенство готово финансировать разработку панорамных объективов с угловым полем
360º х 20º и переменным фокусным расстоянием, т.е. оптических систем, в которых не будет
механически перемещаемых крупных компонентов и гиростабилизированных платформ.
Такие системы должны иметь небольшие габариты, массу и энергопотребление, по
сравнению с традиционными оптико-электронными следящими системами, работать в
реальном масштабе времени и обладать хорошим пространственным разрешением. Кроме
того, желательно, чтобы эти системы позволяли быстрое изменение величины углового поля
(быстрый переход к просмотру какой либо зоны в поле обзора 360º).
К другим разработкам, поддерживаемым DARPA, относится начатый в 2005 г. и
намеченный к завершению в 2011 г. проект PCAR (Photon Counting Arrays), по созданию
усилителя яркости изображения и матричного ФПУ формата 1280х1024 пикселов размером
15 мкм на базе InGaAs (λгр=1,7 мкм), предназначенного для систем высокого разрешения,
работающих при низкой освещенности сцены в режиме счета фотонов при очень низком
уровне фона (при шуме схемы считывания зарядов менее 8,5 электронов).
Военно-морской флот США является заказчиком разработки комплексированных
датчиков
с
различными
динамическим
диапазоном
принимаемых
сигналов,
пространственным разрешением и частотой кадров. Оптические системы этих датчиков
должны исключать возможный параллакс совмещенных оптических осей. Комплекс
датчиков должен быть малозаметным и работать в реальном масштабе времени.
Военно-воздушные силы (ВВС) США нуждаются в очень компактных
высокоэффективных лидарах, а также в ОЭС, работающих в видимом и всех ИК-диапазонах
– от ближнего до длинноволнового. Хотя бортовые ИКС, работающие в средневолновом ИКдиапазоне и использующие ФПУ формата 2000х2000 пикселов, обеспечивают хорошее
качество изображения, необходимо с их помощью различать не только целиком многие
наземные цели, но и детали этих объектов, т.е. ФПУ должны обладать субпиксельным
разрешением при низком контрасте целей на зашумленных («пестрых») фонах. Необходимы
и новые алгоритмы автоматического обнаружения и распознавания целей.
ВВС США заинтересованы в создании новых оптических материалов для защитных
стекол и обтекателей одно- и многодиапазонных оптических систем, работающих в тяжелых
эксплуатационных условиях.
Ведущие компании США и других стран активно подключились к реализации
перечисленных выше проектов, причем для изготовления чувствительного слоя ФПУ
используются как традиционные материалы (тройные соединения «кадмий-ртуть-теллур» КРТ, структуры с квантовыми ямами - СКЯ, структуры на базе InGaAs), так и структуры с
квантовыми точками или на основе суперрешеток типа II, которые еще совсем недавно
находились на стадии лабораторных исследований.
Как известно, уменьшение размеров пикселов ФПУ до пределов близких к
дифракционному разрешению позволяет увеличить формат ФПУ и повысить его
геометрооптическое разрешение. Исследования, проведенные Директоратом ночного
видения и электронных датчиков Армии США (NVESD), а также рядом ведущих фирм,
показывают, что с точки зрения современных требований к оптическому
(геометрооптическому) и энергетическому разрешению, а также оптимизации конструкции
оптической системы и ФПУ, снижения их стоимости, габаритов и энергопотребления
целесообразно создавать ФПУ с пикселами размером порядка 12…15 мкм. При этом
возможное уменьшение площади подложки ФПУ снижает его стоимость и позволяет
уменьшить объем дьюара системы охлаждения, а следовательно, и энергопотребление этой
системы. Однако при этом следует учитывать возможное возрастание ЭШРТ за счет
насыщения ячеек схемы накопления и считывания зарядов. В разработках ведущих фирм
явно прослеживается стремление создать ФПУ с размерами пикселов порядка 15…16 мкм и
менее.
В качестве примера планируемых перспективных разработок ИКС 3-го поколения
можно указать программу, реализуемую в США «Много- и гиперспектральные космические
датчики космического базирования» [7]. Важнейшими требованиями к этим датчикам
являются:
 космический оптический датчик (система) должен иметь мгновенное угловое поле
менее 200 мрад и пространственное разрешение на подстилающей поверхности
лучше 5 м в нескольких рабочих спектральных диапазонах;
 программное обеспечение космического оптического датчика (системы) должно
соответствовать алгоритмам обработки много- и гиперспектральной информации,
обеспечивать корреляцию данных, получаемых в автономных спектральных каналах
системы, автоматически проводить спектрозональное картографирование в целях
обороны, разведки и т.п.;
 наземные станции должны получать, обрабатывать и использовать информацию,
принимаемую от космической системы в виде много- и гиперспектральных данных,
практически в реальном или близком к нему масштабе времени, что важно для
военных применений.
Другим примером является развитие многодиапазонной адаптивной сетевой
тактической системы наблюдения MANTIS (Multispectral Adaptive Networked Tactical
Imaging System), разработанной компанией Raytheon по программе Агенства перспективных
оборонных исследований и проектов США (DARPA), которая сегодня работает в видимом и
трех ИК-рабочих диапазонах [8].
Компания Lockheed Martin Mussiles and Fire Control выиграла в 2010 г. тендер на
разработку для DARPA инфракрасной самолетной системы разведки и обнаружения целей
на поверхности Земли с разрешением на местности 30 см. Система по назначению
аналогична аппаратуре MTS – Multispectral Targeting System, устанавливаемой на
беспилотных носителях и использующей ФПУ формата от 640 х 480 до 2000 х 2000. Новая
система (ARGUS-IR – Autonomus Real-time Ground Ubiquitons Surveillince – Infrared) имеет
гораздо большее поле обзора при сохранении высокого пространственного разрешения.
Несколько ФПУ объединяются и помещаются на стабилизированную платформу. Сигналы с
ФПУ обрабатываются и «сжимаются» в 8 или 16 раз для ФПУ формата 640 х 480 в бортовой
системе обработки данных, а затем пересылаются на наземный пункт их обработки. После
всех этапов обработки сигналов частота просматриваемых кадров составляет 5 Гц.
Ожидается, что ЭШРТ ФПУ системы ARGUS-IR будет менее 80 мК. Блок, включающий
оптическую систему, ФПУ, платформу и общий корпус, будет иметь массу около 240 кг и
потреблять мощность в 1 кВт, а процессор для обработки данных – 54 кг и 1кВт,
соответственно. Программа создания системы ARGUS-IR рассчитана на несколько лет.
Первые два этапа, занимающие 1,5 года каждый, завершаются разработкой оптической
системы и ФПУ с электронным блоком. На втором этапе предусмотрены летные испытания с
борта вертолета, по результатам которых принимаются решения о возможном уменьшении
размеров пикселов ФПУ. На третьем этапе проводятся летные испытания, по результатам
которых может быть проведена коррекция конструкции ФПУ с целью получения высокого
разрешения (2500х2000 пикселов). Одновременно разрабатывается система для работы в
видимом спектральном диапазоне - ARGUS-IS.
В 2012 г. по программе Landsat ожидается запуск на космическую орбиту аппаратуры
TIRS (Thermal Infared Sensor), который будет работать в двух спектральных полосах
шириной около 1 мкм с центрами на 10,8 и 12,0 мкм. Аппаратура предназначена для
продолжения
исследований
земной
поверхности
и
облачного
покрова,
сельскохозяйственного мониторинга, картографирования источников тепловых выбросов в
атмосферу, загрязнений атмосферы и окружающей среды, состояния водных поверхностей и
многого многого другого. Другая аппаратура, также устанавливаемая на борту космического
летательного аппарата, продолжающего функции Landsat, будет работать в нескольких
спектральных полосах внутри видимого и ближнего ИК-диапазонов (от 0,433 до 1,39 мкм).
Компания BAE Systems в 2009 г. заключила контракт на разработку и поставку армии
США 10000 экземпляров ручного лазерного локатора целей (LTLM), в котором совмещены
тепловизор на микроболометре формата 640 х 480 пикселов размером 17 мкм, лазерный
дальномер, цифровой компас и GPS-приемник. Локатор способен распознавать объекты
военной техники па расстоянии 4,2 км днем и 0,9 км в полной темноте.
3. Оптические системы ИКС 3-го поколения
3.1. Особенности оптических систем ИКС 3-го поколения
Если в большинстве ИКС 1-го поколения со сканированием апертурная диафрагма
находилась вблизи сканирующего зеркала, а чувствительность ограничивалась излучением
фона, попадавшим на ФПУ, то в ИКС 2-го поколения появилась охлаждаемая диафрагма –
экран, существенно ограничивающий фоновый поток (рис.3.1). Изображение охлаждаемой
диафрагмы переносится на входной зрачок, с которым совмещается сканирующее зеркало,
что минимизирует вредное излучение оптических деталей, попадающее на ФПУ. При этом
диафрагменное число остается постоянным для всего поля обзора.
Рис.3.1. Примеры оптических систем ИКС 1-го (а) и 2-го (б) поколений: 1 – приемник
излучения, 2 – охлаждаемая диафрагма
Ряд ИКС 3-го поколения работают в средневолновом и в длинноволновом ИКдиапазонах
одновременно. Длинноволновый диапазон применяется для поиска и
обнаружения целей, а средневолновый, обладающий лучшим пространственным
разрешением, используется для их распознавания и идентификации. В спектральном канале
(диапазоне), принимающем более длинноволновое излучение, обычно используется более
широкое угловое поле, нежели в канале, предназначенном для приема излучения с
меньшими длинами волн и часто работающем в активном режиме (в видимом или
ближневолновом ИК-диапазоне).
Применение линзовых объективов в ИКС-3, работающих в двух и более спектральных
диапазонах, ведет к усложнению хроматической коррекции, проблеме выбора надлежащих
оптических материалов линз и их антиотражающих (просветляющих) покрытий. Увеличение
числа линз, связанное с усложнением аберрационной коррекции в двух или нескольких
спектральных диапазонах, а не в одном, как это свойственно ИКС 1-го и 2-го поколений,
уменьшает пропускание оптической системы, увеличивает ее массу габариты и стоимость.
При этом усложняется юстировка всей системы.
Использование зеркальных и зеркально-линзовых объективов позволяет иметь
единый входной зрачок при работе в различных спектральных диапазонах, включая и
видимый. Это позволяет избежать применения нескольких апертурных диафрагм. Иногда
для работы в ИК-диапазоне в качестве зеркальных объективов применяют трехзеркальные
анастигматы, т.е. афокальные внеосевые зеркала, не затеняющие зрачок. Благодаря этому не
происходит ухудшения функции передачи модуляции (ФПМ). Пример оптической системы
подобного типа приведен на рис.3.2 [9].
4
Рис.3.2. Пример оптической системы ИКС 3-го поколения: 1 – входное окно, 2 –
анастигматическая афокальная система, 3 – светоделитель, 4 – двухдиапазонный матричный
фотоприемник
При использовании в ИКС охлаждаемого приемника очень часто приходится
устанавливать охлаждаемую диафрагму перед его чувствительной площадкой, т.е. внутри
дьюара. Это следует учитывать при выборе и расчете оптической схемы. Так, приходится
применять схему с переносом плоскости изображения из фокальной плоскости приемного
объектива, что приводит к вводу дополнительных компонентов и усложнению конструкции
оптической системы.
Специфичным для многих оптических систем ИКС 3-го поколения является
изменение величины их углового поля. Оптимальной оптической системой является такая, в
которой каждому значению изменяющегося углового поля соответствует свое
диафрагменное число при постоянстве диаметра входного зрачка объектива, т.е. система с
переменным фокусным расстоянием объектива. В таких ИКС, работающих с охлаждаемой
диафрагмой, для сохранения эффективности последней необходимо изменять диаметр
диафрагмы, являющейся апертурной и располагаемой внутри охлаждаемого объема
(дьюара). Это заметно усложняет конструкцию всей системы.
Такая специфика свойственна, например, оптическим системам обзорно-прицельных
приборов легкого стрелкового вооружения, работающим одновременно в ближнем
(коротковолновом) и длинноволновом ИК-диапазонах. Стремление уменьшить их размеры и
массу приводит к необходимости уменьшать число оптических компонентов. В дополнение к
требованию к объективам таких приборов иметь хорошее пропускание в широком
спектральном диапазоне в случае использования в длинноволновом (8…12 мкм) ИКдиапазоне неохлаждаемого ФПУ, чаще всего микроболометра, добавляются
дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с
охлаждаемыми фотонными ФПУ, чувствительности неохлаждаемых ФПУ требуется
применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными
отверстиями D/f' (малыми диафрагменными числами K= f'/D), состоящие из небольшого
числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Например, в лазерном
целеуказателе-дальномере, построенном на базе микроболометра, с целью компенсации
потерь потока в передающей части оптической системы и на трассе его распространения
входной зрачок приемной части системы целесообразно, по возможности, увеличивать.
Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов
чувствительного слоя микроболометров и увеличения их числа (увеличение формата),
качество изображения, создаваемого объективами таких приборов, должно быть достаточно
высоким.
Для длинноволнового канала ИКС, работающих с неохлаждаемыми приемниками
излучения, часто используются асферические и дифракционные поверхности. Однако, если
этот же оптический канал используется для передачи и приема лазерного пучка в
ближневолновом ИК диапазоне, например на безопасной для глаза длине волны 1,55 мкм, то
возникает ряд трудностей. Например, использование линз с асферическими и
дифракционными поверхностями может затруднить формирование лазерного пучка с
требуемой для работы целеуказателя – дальномера расходимостью. Использование
дифракционных элементов в оптических системах ИКС- 3 часто затруднено, так как они
обычно позволяют улучшить качество изображения только в одном, сравнительно узком
спектральном диапазоне.
Следует особенно тщательно подбирать материалы светоделительных и
просветляющих покрытий отдельных оптических компонентов ИКС, работающих активнопассивным методом. Эти покрытия должны быть достаточно стойкими к лазерному
излучению и в то же время хорошо пропускать длинноволновое ИК излучение.
Светоделительный компонент, используемый для разделения спектральных каналов и в
приемо-передающей лазерной оптической системе, должен располагаться перед
компонентами, формирующими изображение в тепловизионном (длинноволновом ИК)
канале.
Иногда для обеспечения хорошего качества тепловизионного изображения
используются системы с управляемой (активной) фокусировкой.
Для ИКС 3-го поколения для наблюдения полей (сцен) большого размера все чаще
требуются ФПУ с большими размерами матрицы и малыми размерами пикселов, например,
ФПУ формата 1280х720 с пикселами порядка 20 мкм. Эффективное использование
двухдиапазонных ИКС с такими ФПУ предусматривает возможность работы как в одном,
так и в двух спектральных диапазонах в сочетании с объективами переменного увеличения,
обладающими достаточно большими диафрагменными числами (порядка 6). При
использовании охлаждаемых ФПУ необходимо, чтобы диафрагменное число дьюара могло
изменяться в зависимости от выбранного режима работы ИКС, т.е. внутрь охлаждаемого
объема желательно помещать диафрагму с переменной апертурой, обеспечивающую почти
идеальную эффективность «холодного экранирования», и при этом сохранять неизменным
размер входного зрачка объектива.
Примеры объективов таких систем с переменным диафрагменным числом К (К=3 и
К=6) приведены в [10]. Переменный диаметр охлаждаемой диафрагмы приводит к
масштабированию входного зрачка, поскольку он является изображением охлаждаемой
диафрагмы в обратном ходе лучей. Поэтому система с двойным полем обзора (5ох6,6о и
10,4ох13,8о) сохраняет постоянным диаметр входного зрачка (17,5 мм) несмотря на различие
в два раза фокусного расстояния объектива. Размер чувствительного слоя ФПУ остается
постоянным. В [11] приводится пример системы с четырьмя величинами поля обзора (от
0,9ох1,2о до 10,4ох13,8о). Конструкция этой системы, в которой используются два
афокальных элемента, достаточно сложна.
Важно отметить, что с увеличением форматов (1280 х 960, 1024 х 1024 и т.д.)
чувствительного слоя ФПУ труднее обеспечить требуемую высокую точность оптической и
механической сборки и юстировки, чтобы устранить различие в поворотах изображений и
согласовать положения оптических осей различных спектральных каналов.
Для ФПУ очень больших форматов (1280 х 960, 1920 х 1080, 2000 х 2000 и др.)
необходимо иметь объективы с малой дисторсией, чтобы избежать применения специальных
программных алгоритмов компенсации дисторсии.
Для качественной стабилизации и согласования пикселов при смешении изображений,
получаемых в разных каналах системы, и при автоматическом распознавании целей
необходимо оптимальное сочетание оптической, механической и электронной юстировок.
Только одними оптико-механическими способами трудно выполнить юстировку
положения оптической оси и увеличения оптических систем. Так, сложно обеспечить допуск
на увеличение менее 3% из-за жестких требований к допускам на конструктивные элементы
оптических систем, например, к величинам температурного коэффициента показателя
преломления dn/dT линз и величинам коэффициентов температурного расширения их оправ.
Погрешность увеличения может быть эквивалентной нескольким пикселам. Она может быть
ослаблена путем калибровки и исследований объектива и всей системы, но этот путь очень
дорогостоящий.
Использование электромеханических схем для частичной фокусировки путем
шагового изменения фокусного расстояния в целях согласования увеличения отдельных
каналов ИКС позволяет провести балансировку увеличения двух изображений с допуском
менее 1%.
Электронные способы регулировки увеличения могут быть эффективными для
юстировки системы. Часто используют простые интерполяционные методы, например,
билинейную интерполяцию, или ручные способы регулировки переменного увеличения.
Используемые при этом многофазные фильтры с выборкой обычно предусматривают очень
хорошее качество изображения. Современные интегральные схемы (чипы) обеспечивают до
128 фазовых шагов, что обеспечивает согласование увеличения с погрешностью лучше, чем
0,8%. Фиксированные установки переменного увеличения, определяемые в процессе
калибровки системы, могут быть использованы для грубого согласования увеличений в
разных каналах системы. Для изменения увеличения при вариациях температуры
разрабатываются методы автоматической юстировки.
Программные методы не являются панацеей при проектировании систем с очень
большими форматами ФПУ. Электронными средствами возможно достичь согласования
оптических осей и ФПУ для разных спектральных каналов системы с допуском в один
пиксел относительно положения оптических осей. Однако, современные технологии
управления увеличением могут приводить к исключению части изображения на краях
углового поля, составляющей несколько пикселов. Например, размер изображения объекта в
середине углового поля, которому соответствует формат ФПУ 1000 х1000 пикселов, может
оказаться на 8 пикселов большим, чем тот же размер, получаемый в другом канале с
недостатком увеличения на 3%.
Это же ограничение имеет место при электронной коррекции дисторсии. Такие
методы обработки информации хороши при калибровке систем и использовании
интерполяционных фильтров. Сегодня для улучшения согласования пикселов отдельных
спектральных каналов многодиапазонной системы требуется сложная калибровка с
использованием десятков опорных точек и коррекции с высокой степенью точности.
Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно отметить, что при
проектировании оптических систем ИКС 3-го поколения целесообразно:
- выбирать диафрагменное число К в соответствии с размерами чувствительного слоя
ФПУ и охлаждаемой диафрагмы, а также их расположением;
 выбирать механизм фокусировки с учетом точности его осевого перемещения, так
чтобы изображение сохраняло свое расположение на чувствительном слое ФПУ при
перефокусировке;
 применять объективы с малой дисторсией, чтобы уменьшить необходимость
использовать сложные алгоритмы программной компенсации дисторсии и сложную
калибровку (дисторсия менее 0,2% достижима для современных объективов);
 использовать механическую юстировку камер для исключения различия в поворотах
изображений (достижима угловая регистрация поворота с допуском менее 1 мрад);
 применять механические, электронные и программные способы для точной юстировки
положения оптических осей, например, если невозможно согласовать точно положение
центров пикселов ФПУ двух или более раздельных каналов ИКС.


3.2. Оптические материалы
Если для видимого диапазона номенклатура оптических материалов, применяемых
для изготовления линзовых компонентов, содержит сотни разновидностей, то, к сожалению,
для ИК-диапазона она существенно меньше. Тем не менее количество материалов,
используемых в ИК-диапазоне, непрерывно растет.
Материалы, используемые для создания оптических систем ИКС 3-го поколения,
должны иметь широкую полосу пропускания излучения; высокую однородность и
прозрачность; стойкость к внешним воздействиям; высокую механическую прочность;
малый температурный коэффициент расширения и малый температурный коэффициент
показателя преломления, обеспечивающий пассивную атермализацию [1].
Следует отметить, что приводимые в публикациях различных фирм параметры и
характеристики материалов, использующих, казалось бы, одни и те же соединения,
различаются порой весьма значительно. В качестве примера можно привести ряд, данных,
заимствованных из различных источников (табл.3.1 - 3.4, рис.3.3).
Наиболее распространенные материалы иногда имеют различие в показателях
преломления в пределах от 1,4 до 4,0, а в дисперсии – от 20 до 1000. Такой большой разброс
значений этих параметров вынуждает уже на самых первых этапах проектирования
тщательно выбирать оптический материал с учетом ряда эксплуатационных требований.
Таблица 3.1. Показатели преломления, числа Аббе и частные дисперсии ряда
оптических материалов, прозрачных в ближнем (1,0…2,0) и средневолновом (3,5…5,0 мкм)
ИК-диапазонах
Средний
показатель
Материал преломления
1,0…2,0 3,5…5,0
мкм
мкм
СdTe
2.7361
2.6883
KrS-5
2.4077
2.382
AgCl
2.0106
2
CsL
1.749
1.743
CsBr
1.6725
1.6681
KBr
1.5392
1.5347
NaCl
1.5282
1.5217
KCl
1.4765
1.472
LiF
1.3832
1.3493
MgF2
1.3708
1.3488
Число Аббе V
1,0…2,0
мкм
24.1925
36.9464
85.6543
91.7861
125.0137
118.8285
140.5634
152.7634
97.4855
133.4265
3,5…5,0
мкм
165.1665
232.2394
205.9362
464.1561
409.921
221.1944
97.5772
145.7849
8.7576
13.4663
Частная дисперсия Р
1,0…5,0
мкм
13.6386
20.866
40.3552
50.2442
63.317
51.7953
39.7368
51.0416
6.0551
9.1029
1,0…2,0
мкм
0.3417
0.3418
0.3512
0.3495
0.3522
0.3551
0.3711
0.3634
0.4994
0.4851
3,5…5,0
мкм
0.3605
0.3792
0.4919
0.4078
0.4625
0.5057
0.5441
0.5359
0.569
0.5709
Таблица 3.2. Основные параметры германия и сульфида цинка
___________________________________________________________________________
Наименование материала
Ge
ZnS
Спектральный диапазон прозрачности, мкм
1,8…16
4…12
1,0…5,0
мкм
0.0823
0.0896
0.1955
0.1081
0.1543
0.2336
0.4053
0.349
0.659
0.6551
Показатель преломления на длине волны 10 мкм
4,003
2,199
Дисперсия Аббе в полосе 8…12 мкм
942
23
-1
-6
Коэффициент теплового расширения, К
6,1х10
7,0 х 10-6
Температурный коэффициент показателя преломления dn/dt, К-1 40х10-5
4,1 х 10-5
Модуль Юнга, ГПа
100
75
Модуль прочности на разрыв, ГПа
72
60
__________________________________________________________________________
4.5
Показатель преломления n
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
1
Рис.3.3. Зависимости показателя преломления n ряда материалов от длины волны
Таблица 3.3. Параметры халькогенидных стекол, производимых компанией AMI
Материал
Состав
Спектральный диапазон пропускания, мкм
Показатель преломления на =10 мкм
Температурный коэффициент показателя преломления
(×10-6) на =10 мкм
Твердость по Кнупу
Коэффициент температурного расширения (×10-6), К-1
Теплопроводность, кал·(г·с·К)-1×10-4
Теплоемкость, кал·(г·К)-1
Плотность, г·см-3
Прочность на разрыв, Па
Модуль Юнга (×10-6), Па
Модуль сдвига (×10-6), Па
Отношение Пуассона
Температура размягчения, °С
Температура фазового перехода, °С
Максимальная температура использования, °С
Дисперсия в диапазоне 3…5 мкм
Дисперсия в диапазоне 8…12 мкм
AMTIR-1
Ge-As-Se
0,7…12,0
2,4981
AMTIR-2
As-Se
1…14
2,7613
AMTIR-3
Ge-Sb-Se
1…12
2,6027
AMTIR-4
As-Se
1…12
2,6431
AMTIR-5
As-Se
1…12
2,7398
72
5
91
-23
<1
170
12
6
0,072
4,4
2700
3,2
1,3
0,27
405
368
300
202
109
110
22,4
5,3
0,068
4,66
2500
5,6
1,03
0,29
188
167
150
171
149
150
14
5,3
0,066
4,67
2500
3,1
1,2
0,26
295
278
250
159
110
84
27
5,3
0,086
4,49
2358
2,2
0,85
0,297
131
103
90
186
235
87
23,7
5,7
0,076
4,51
2400
2,56
1,01
0,279
170
143
130
175
172
AMTIR-6
As-S
0,6…8,0
2,3807
<1
(=5 мкм)
109
21,6
8,0
0,081
3,2
2400
2,3
0,94
0,24
210
187
150
155
-
Таблица 3.4. Параметры оптических материалов, производимых компанией MEMS Optical Inc. [12]
Параметр
Плотность, г·см
-3
Ge
5,327
Si
2,329
As40Se60
4,63
C1
As-Se-Te
1,2…14,0
2,8051
31
110
23
5,2
0,062
4,69
2500
1,8
1,03
0,29
154
133
120
148
196
Коэффициент температурного расширения (×10-6), К-1
Теплоемкость, Дж·ГК-1
Теплопроводность, Вт·мК-1
Модуль Юнга, ГПа
Модуль сдвига, ГПа
Показатель преломления на =3 мкм
Показатель преломления на =10 мкм
Температурный коэффициент показателя преломления,
dn/dT·10-6 К-1
Температура фазового перехода, °С
5,7
0,3230
59,9
132
54,8
4,0445
4,0044
416 (=5 мкм)
401 (=20 мкм)
-
2,62
0,7139
140
162
66,2
3,4323
3,4178
159 (=5 мкм)
157 (=10 мкм)
-
20,7
0,36
0,24
18,3
8,0
2,8014
2,7775
35 (=3,4 мкм)
41 (=10,6 мкм)
185
Традиционным путем решения свойственной ИКС третьего поколения проблемы
ахроматизации оптической системы, которая должна работать в широком спектральном
диапазоне, является подбор таких материалов линзовых деталей, которые в своей
совокупности устраняют или ослабляют хроматизм всей оптической системы.
Как известно, дисперсия оптического материала определяется числом Аббе
n 1
V  2
n1  n3
и частной дисперсией
n  n3
P 2
,
n1  n3
где n1,n2 и n3 – показатели преломления для нижней (1), средней (2) и верхней (3)
границ рабочего спектрального диапазона.
Условиями ахроматизации, т.е. устранения хроматизма, ведущего к различию в
положении и размерах изображения для длин волн 1, 2 и 3 в оптической системе,
состоящей из n линз, являются
Ф1 Ф 2
Ф

 ... n  0 ,
Vn V 2
Vn
Ф1
Ф
Ф
P1  2 P2  ... n Pn  0 ,
Vn
V2
Vn
где Ф1, Ф2,….Фn – оптические силы отдельных линз, причем общая оптическая сила
системы Ф, состоящей из n линз, равна
Ф1+Ф2+….Фn=Ф.
Подбирая материалы с различными V и P, можно добиться идентичности и
совпадения положений изображений в различных спектральных диапазонах (на разных ).
В [13] приводится пример ахроматизации объектива, состоящего из трех линз
(триплета) и работающего в двух спектральных диапазонах – 1,0…2,0 и 3,5…5,0 мкм.
Минимальный хроматизм в диапазоне 1,0…5,0 мкм обеспечивала комбинация
ZnSe/GaAs/ZnS, а в отдельных спектральных полосах 1,0…2,0 мкм и 3,5…5,0 мкм
комбинации линз из CsI/GaAs/AMTIR6 и CsBr/GaAs/AMTIR6. Для последней системыобъектива с фокусным расстоянием 38 мм, относительным отверстием 1:3 и угловым
полем 15 разрешение было близко к дифракционному и составляло более 40 лин/мм.
Еще одним методом ахроматизации объективов ИКС третьего поколения,
работающих в нескольких рабочих спектральных диапазонах, может быть использование
дифракционных (гибридных) линз [2]. Такие линзы или оптические системы, состоящие
из них, должны строить изображения отдельных дифракционных порядков, относящихся
к разным узкополосным спектральным диапазонам, в одной плоскости.
Для описанного в [13] триплета с указанными выше параметрами и состоящего из
линз, выполненных из ZnSe, GaAs и ZnS, при изготовлении первой линзы в виде
дифракционного элемента и расположении первого дифракционного порядка для
диапазона 3,5…5,0 мкм и компенсации второго, третьего и четвертого порядков для
диапазона 1,0…2,0 мкм удалось получить во всем диапазоне 1,0…5,0 мкм качество
изображения, близкое к дифракционному пределу [13].
Компания UMICORE (Бельгия) производит халькогенидные стекла GASIR,
имеющие широкий диапазон прозрачности – от 0,8 до 14 мкм (рис.3.4) ) и позволяющие
- 24 -
Рис.3.4. Спектральная характеристика пропускания GASIR
сравнительно недорого формировать асферические и дифракционные поверхности [14].
Показатель преломления GASIR на длине волны 10 мкм составляет 2,494, а дисперсия
Аббе в полосе 8…12 мкм равна 120, коэффициент теплового расширения - 7,0 х 10-6 ,
модуль Юнга - 18, и модуль прочности на разрыв 0 17. Температурный коэффициент
показателя преломления dn/dt у GASIR невелик - 5,5х 10-5 /K (у Ge – около 4 10-4/K), что
важно с точки зрения уменьшения термоаберраций оптической системы. Хорошее
сочетание значений
коэффициентов теплового расширения и температурного
коэффициента показателя преломления
позволяет создавать системы, мало
чувствительные к изменениям окружающей температуры за счет пассивной
атермализации. Недостатком GASIR является невысокая механическая прочность, что
затрудняет его использование в некоторых ИКС.
Учитывая тенденцию использования асферических поверхностей для упрощения
конструкции оптической системы и снижения её массы и габаритов, ведущие мировые
фирмы – производители оптических элементов стремятся упростить и удешевить
технологию производства деталей с асферическими поверхностями.
Так, компания Agiltron сообщила о производстве линз с асферикой из новых
дешевых халькогенидных стекол с хорошими термомеханическими свойствами методом
моллирования, причем просветляющие покрытия создаются на поверхностях линз
непосредственно в процессе их изготовления. Материалы таких линз имеют малые
температурные коэффициенты показателей преломления. В системах на их основе
достигается высокое качество изображения за счет использования асферических
поверхностей, компенсации термоаберраций и атермализации оптических узлов, а также
отсутствия механических деформаций.
В отличие от известных халькогенидных стекол, работающих в видимой области
спектра и имеющих температуру размягчения более 900С, стекла фирмы Agiltron имеют
температуру размягчения немного ниже 200С, что заметно удешевляет, упрощает и
ускоряет технологический процесс изготовления деталей методом моллирования
(прессования). В [15] сообщается, что моллированные поверхности сферических,
асферических и цилиндрических линз, изготовленных из этих стекол, имеют высокую
степень чистоты и не нуждаются в шлифовке и полировке. Линзы могут впрессовываться
непосредственно в термообработанные алюминиевые оправы, изготавливаемые способом
алмазного точения.
- 25 Для двух- и многодиапазонных ИКС, в которых используется общий для всех
спектральных диапазонов линзовый объектив, необходимо иметь оптические
просветляющие (антиотражательные) покрытия линзовых элементов, обеспечивающие
хорошее пропускание в рабочих полосах спектра.
Потери на френелевское отражение для материалов с большими n могут быть
весьма значительными. Например, одна поверхность линзы из германия может вносить
потери порядка 36%.. При использовании материалов с относительно небольшими
показателями преломления эти потери в ограниченной полосе спектра существенно
меньше, но в двух- и многодиапазонных системах их также следует принимать во
внимание, тем более что изготовление просветляющих покрытий в этих случаях более
сложно.
В [10] приводятся требования к пропусканию отдельных линз для обеспечения
заданного значения общего коэффициента пропускания оптической системы τ о, состоящей
из 5…10 линз (табл.3.5). Там же приводятся требования к коэффициентам отражения
отдельных зеркал, при которых обеспечивается заданный общий коэффициент
пропускания зеркальной оптической системы τо, состоящей из 5…8 зеркал (табл.3.6).
Содержащиеся в этих таблицах значения τо могут быть положены в основу выбора
требуемых просветляющих и отражающих покрытий.
Таблица 3.5. Значения общего коэффициента пропускания τо многолинзовой
оптической системы при заданных значениях пропускания одиночной линзы [10]
Число линз
в системе
5
6
7
8
9
10
0,95
0,774
0,735
0,698
0,663
0,630
0,599
0,96
0,815
0,783
0,751
0,721
0,693
0,665
Пропускание одиночной линзы
0,97
0,98
0,859
0,904
0,833
0,886
0,808
0,868
0,784
0,851
0,760
0,834
0,737
0,817
0,99
0,951
0,941
0,932
0,923
0,914
0,904
Таблица 3.6. Значения общего коэффициента пропускания τо многозеркальной
оптической системы при заданных значениях коэффициента отражения одиночного
зеркала [10]
Число зеркал
в системе
3
4
5
6
7
8
0,97
0,913
0,885
0,859
0,833
0,808
0,784
Коэффициент отражения одиночных зеркал
0,975
0,980
0,985
0,927
0,941
0,956
0,904
0,922
0,941
0,881
0,904
0,927
0,859
0,886
0,913
0,838
0,868
0,9
0,817
0,851
0,886
0,99
0,97
0,961
0,951
0,941
0,932
0,923
В [16] описываются результаты разработки покрытий для линз и пластин из Ge,
AMTIR, ZnSe и CaF2 на основе многослойных (от 8 до 24) покрытий из ZnS, YF3 и Ge. Изза того, что в оптических системах ИКС 3-го поколения часто используется много линз
(от 6 до 10) и зеркал (от 5 до 8), очень важно использовать эффективные просветляющие
покрытия. Так, для просветления деталей из
GASIR было разработано специальное
покрытие iDLCTM, имеющее в диапазоне 8…12 мкм коэффициент отражения менее 1,5%
на каждой поверхности.
- 26 В [16] сообщается о методе расчета и изготовления противоотражающих покрытий,
обеспечивающих хорошее пропускание в широкой полосе спектра – от видимого до
длинноволнового ИК диапазонов. При использовании пятислойного покрытия для
диапазона 7,5…12 мкм из пленок сульфида цинка ZnS и фторида иттрия YF3 удалось
снизить потери на отражение до уровня менее 0,5% при нормальном падении излучения и
до уровня менее 0,5% при падении лучей под углом 30о.
Моделирование противоотражающих покрытий показало, что использование
третьего материала улучшает пропускание без существенного усложнения покрытия.
Однако, начиная с некоторого числа слоев пропускание двухдиапазонных покрытий с
ростом числа слоев выше некоторого предела не увеличивается, достигая 0,953…0,984 в
диапазоне 3,5 и 5,0 мкм и 0,886…0,990 в диапазоне 7,8…10,5 мкм.
В качестве примера можно также привести фильтры компании JDSV, имеющие
пропускание в полосе 3,44…4,08 мкм более 76%, а в полосе 4,51…4,93 мкм – более 85%,
причем фронты спектральных характеристик этих полосовых фильтров не превышают
2,45 % от ширины полосы пропускания. Пропускание в подавляемой полосе поглощения
СО2 (4,08…4,51 мкм) не превышает 1% [17]. Та же компания выпускает четырехполосные
фильтры, почти прямоугольные полосы пропускания которых с центрами на длинах волн
1,23; 1,6; 2,2 и 3,75 мкм очень близко повторяют спектральное пропускание атмосферы в
диапазоне 1,3…4,3 мкм, а также двухполосные фильтры с =3,2…5,5 и 7,0…11,5 мкм.
Важно отметить, что спектральные характеристики фильтров достаточно стабильны в
широком диапазоне температур – от комнатной до 77 К.
3.3. Панорамные оптические системы
Условия работы многих ИКС военного назначения заметно изменились за
последние десятилетия. Часто обнаружение и идентификацию источников возможных
угроз (целей) необходимо проводить на малых дальностях в широких угловых полях, за
короткое время, в темное время суток и при наличии пыледымовых помех. Этапами
работы таких систем являются: предварительное обнаружение источника угрозы и
определение направления, на котором он находится; обнаружение факта атаки с его
стороны; идентификация источника угрозы и определение его положения в трехмерной
системе координат. Атака во многих случаях может вестись с любого направления, что
вынуждает иметь большое поле обзора аппаратуры. Дальность до источника угрозы (до
цели) и его тип могут изменяться значительно. В связи с этими и другими факторами все
большее внимание разработчиков ИКС в последние годы привлекают панорамные
оптические системы.
Несмотря на то, что угловое разрешение панорамных ИК–систем хуже, чем в
системах с меньшими угловыми полями, они успешно используются на первых этапах
работы комплексов, состоящих из широкоугольной панорамной системы обнаружения
цели (или угрозы) и сравнительно узкопольной системы распознавания, классификации и
идентификации цели и определения её координат и параметров движения. Предлагается,
что панорамные ИК–системы пассивного типа будут эффективно работать в сложных
погодных условиях (снег, туман, дождь, пылегазовые помехи и т.п.) в сочетании с
низкоуровневыми телевизионными системами видимого и ближнего ИК диапазонов.
Такие комплексы предлагается использовать в системах предупреждения атаки со
стороны противника, обнаружения позиций его огневых средств, при пилотировании
летательных аппаратов, в охранных системах, системах защиты кораблей, в портативных
системах вооружения, устанавливаемых на подвижных основаниях и др.
Важнейшим компонентом этих комплексов являются оптические панорамные
блоки (ОПБ). В качестве примера на рис.3.4 приводятся схемы ОПБ, разработанных на
- 27 кафедре оптико-электронных приборов МИИГАиК (рис.3.5,а) и на кафедре светотехники
МЭИ (рис.3.5,б).
Рис.3.5. Оптические схемы ОПБ: 1 – входная преломляющая поверхность, 2,3 –
зеркальные сферические (асферические) поверхности, 4 – плоская выходная поверхность,
5 – плоскость изображения
Типичные современные линзовые панорамные объективы ИК-систем имеют
следующие параметры и характеристики:
 общее угловое поле составляет 180˚…220˚;
 диаметр первого компонента примерно в 1,5 раза и более превышает размер
используемого в системе чувствительного слоя ФПУ;
 разрешение в отдельных зонах поля обзора изменяется в 5…10 раз; причем в
соседних зонах с угловым размером 5…10о это разрешение может изменяться в два
раза;
 спад функции передачи модуляции на частоте Найквиста составляет 65…80%;
 диафрагменные числа в ИК-области превышают 0,8;
 коэффициент пропускания объективов превышает 0,6;
 рабочими спектральными диапазонами могут быть 3…5, 8…12 мкм или
двухдиапазонная комбинация 3…5/8…12 мкм.
В схемах панорамных объективов дисторсия получаемых изображений
рассчитывается так, чтобы получить хорошее разрешение в заданной зоне поля обзора
(дисторгирующие объективы). Если всё поле разбито на n зон, а угловой размер i-ой зоны
(i=1… n) равен Θi, причем в угле Θi необходимо иметь Ni разрешаемых элементов,
соответствующих пикселам ФПУ, то соответствующая Ni частота Найквиста fNi, при
которой не происходит искажения спектра сигнала, равна
fNi=Ni/(2Θi).
Общее для всех зон число разрешаемых пикселов N определяется как
n
n
i 1
i 1
N   N i   2 f Ni i .
В последние десятилетия был разработан ряд ИК-систем с панорамными
объективами. В [18] описан зеркально-линзовый объектив APTIS, предназначенный для
автоматического обнаружения, локации и слежения за множественными целями и
работающий в сочетании с ФПУ формата 640х480 пикселов. Как и у других систем
подобного типа, в этой системе трудно обеспечить одновременно малые аберрации и
большие приемные апертуры. С точки зрения простоты, компактности и надежности
конструкции, а также уменьшения влияния ошибок из-за разъюстировки объектива выбор
зеркального первого компонента объектива с «крутыми» радиусами также не является
удачным.
- 28 Панорамная система с полусферическим угловым полем компании ImmerVision
может устанавливаться на платформах различного типа. В ней полусферическое угловое
поле делится на пять зон. В одних зонах, где важно иметь большую вероятность
распознавания и идентификации различных объектов, обеспечивается хорошее
разрешение, в других оно хуже, т.е. относительное угловое разрешение, характеризуемое
отношением «пиксел (элемент разрешения)/градус», различно для отдельных зон поля
обзора. В этой системе аберрационная коррекция проведена для панорамного
изображения, получаемого специально рассчитанным объективом для обеспечения
хорошего разрешения ИК-камеры, работающей в среднем и длинноволновом ИКдиапазонах.
Для систем предупреждения о возможной угрозе в [19] предложен панорамный
объектив с угловым полем 180о х 360о, работающий в спектральном диапазоне 8…12 мкм
и диафрагменным числом К= 1. Объектив может работать совместно с ФПУ формата 640
х 480 пикселов размером 25 мкм. На частоте Найквиста спад функции передачи
модуляции доходит до 75 %. Все угловое поле объектива делится на три зоны с
различным разрешением. Наибольшее разрешение достигается в средней зоне, а
наихудшее - на краях поля. Изображение поля имеет вид эллипса с размерами осей 620 и
460 пикселов. Первоначальная конструкция объектива состояла их четырех германиевых
линз. Затем было предложено выполнять одну из линз гибридной, делая одну первую ее
поверхность дифракционной с помощью алмазного точения, что значительно увеличило
разрешение системы.
Как указывается в [19], применение двух цилиндрических германиевых линз и
двух асферических поверхностей линз из Ge и ZnS в составе пятилинзового объектива
позволяет обеспечить работу панорамной системы в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм. При
этом разрешение на краю углового поля в зоне порядка 20о приближается к разрешению в
центре поля.
Линзовые панорамные объективы, описанные в [19], работают в спектральном
диапазоне 3…5 мкм, а другие системы этого типа - в диапазоне 3…12 мкм.
Наряду с разработкой панорамных систем с объективом в виде единого моноблока
продолжают появляться ИКС с комбинированием отдельных широкопольных объективов
в единую систему с азимутальным угловым полем 360о. Примером может служить
противоракетная корабельная ИК следящая система ARTEMIS, предназначенная для
автоматического обнаружения и слежения за низколетящими воздушными и надводными
целями по их собственному излучению [20]. Система состоит из трех сопряженных по
азимуту (расположенных вокруг одной вертикальной оси) датчиков, объективы которых
имеют угловые поля 120о х 26о. Система работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм с
частотой кадров 10 Гц.
Так, в [20] описывается панорамный ИК датчик, работающий в спектральном
диапазоне 3,4…4,9 мкм и имеющий угловое поле 360о (по азимуту) х 60о (по углу
возвышения). В датчике используется ФПУ на базе InSb формата 640 х 512 пикселов
размером 20 мкм. Угловое разрешение датчика близко к 6 мрад, но изменяется по углу
возвышения. Частота кадров достигает 120 Гц. Датчик имеет цифровой выход на 14 бит.
Габариты датчика – 228 мм (длина) и 218 мм (диаметр); масса – менее 9 кг, потребляемая
мощность – от 30 до 50 Вт в зависимости от режима эксплуатации. Приводятся некоторые
результаты полевых испытаний датчика, в частности, по обнаружению факела выхлопных
газов двигателя летящего самолета и обнаружения вспышек выстрела из стрелкового
оружия.
Для перископов подводных лодок была разработана панорамная ИКС с угловым
полем 360о х 40о (-10о х +30о), работающая в средневолновом ИК диапазоне [20]. В ней
использовано ФПУ на базе InSb, охлаждаемое до 80 К и имеющее формат 2048 х 2048
пикселов размера 15 мкм. Система охлаждения обеспечивает хладопроизводительность
- 29 порядка 750 мВт при комнатной окружающей температуре и 50 Вт потребляемой
мощности. Для двухточечной коррекции неоднородности пикселов в реальном масштабе
времени в систему введен эталонный источник. Испытания системы показали, что она
обеспечивает ЭШРТ порядка 30 мК по всей площади ФПУ при остаточной
неоднородности по всему изображению менее 0,3 %. Частота кадров при различных
временах накопления зарядов составила 30 Гц. Габариты системы - около 200 мм (высота)
и 166 мм (диаметр).
3.4. Примеры оптических систем ИКС 3-го поколения
В качестве примера параметров оптических систем ИКС 3-го поколения можно
привести сведения об объективах ряда перспективных систем компании Raytheon,
работающих в диапазоне 8…12,5 мкм и использующих микроболометры формата 320х240
с размерами пикселов 50 мкм:
 фокусное расстояние f' – около 23 мм;
 диафрагменное число К=1,0…1,2;
 угловое поле - 30ºх40º;
 задний отрезок – 7 мм;
 глубина изображаемого пространства – от 0,5…3 м до бесконечности;
 коэффициент пропускания (средний в диапазоне 8…12,5 мкм) – 0,85;
 атермализация в диапазоне температур от - 20ºС до +55ºС;
 спад функции передачи модуляции относительно нулевой пространственной
частоты f0=10 лин/мм: по центру поля – не более 60%, по краю поля – не более
40%;
 количество линз – не более трех.
Руководствуясь этими и рядом других требований, фирма Zybron, Inc. (ФРГ)
разработала ряд трехлинзовых объективов с фокусными расстояниями от 8,5 до 150 мм и
угловыми полями от 10,5ºх 14º до 43,5ºх 58º. Отдельные компоненты объективов были
изготовлены из поликристаллов ZnS, ZnSe и инфракрасных стекол [14]. Применение этих
материалов позволило уменьшить вдвое стоимость линз, по сравнению с линзами из Ge. В
[15] кратко описывается технология получения этих оптических материалов (горячее
прессование заготовок с диаметром до 500 мм), а также просветление деталей из них,
обеспечивающее работу в трех спектральных диапазонах (1...2,6; 3…5 и 8…12 мкм) без
применения специальных коротковолновых и длинноволновых отсекающих оптических
фильтров.В [14] описывается оптическая схема двухдиапазонной ИКС обзорно-
- 30 прицельных систем стрелкового вооружения, работающей в активно-пассивном режиме.
Рис. 3.6. Оптическая схема двухдиапазонной обзорно-прицельной системы: 1 –
микроболометр, 2 – приемник лазерного излучения
Длинноволновый канал (пассивный тепловизионный) построен на базе
микроболометра формата 640 х 480 пикселов размером 25 мкм и имеет объектив с
диафрагменным числом 1,2 и размером углового поля по горизонту 15. Объектив состоит
из трех линз, выполненных из GАSIR, обеспечивает хорошее разрешение (до 20 лин/мм).
Его компоненты имеют две асферические и одну дифракционную поверхности. Первый
порядок дифракционного изображения с эффективностью 95% используется для работы
длинноволнового ИК-канала, а шестой порядок – для работы ближневолнового
(лазерного) ИК-канала. Функция передачи модуляции оптимизирована до значений
пространственной частоты 30 лин/мм и достаточно стабильна во всем диапазоне рабочих
температур (-35…+63С).
В процессе разработки системы пришлось отказаться от традиционной
конструкции светоделителя лазерного пучка в виде тонкой плоскопараллельной пластины
с нанесенными на обе её стороны сложными покрытиями, поскольку было очень трудно
обеспечить плоскостность поверхностей с допуском лучше одной интерференционной
полосы и сохранить её несмотря на деформации, вносимые покрытиями. Вместо такой
пластинки было использовано эллиптическое зеркало с толщиной 3,5 мм и размерами 56
мм х 35мм с двухсторонними покрытиями. Для уменьшения астигматизма передающей
лазерной системы был использован специальный оптический клин.
Обеспечение требуемого углового поля приемной оптической системы и
устранение астигматизма, вносимого светоделителем, расположенным под углом 45 к
оптической оси приемной части объектива, осуществляется с помощью двух линз
(отрицательной и положительной), расположенных за светоделителем в ближневолновом
ИК-канале по ходу принимаемых лучей. Эти же компоненты служат для устранения
термоаберрациий путем подбора надлежащих материалов линз и оправ. Для устранения
астигматизма эти линзы были слегка децентрированы одна относительно другой.
Диаметр сечения принимаемого пучка в фокальной плоскости, в котором
содержится 83% энергии, при термокомпенсации в диапазоне -35 …+63С менялся в
очень небольших пределах.
- 31 В оптической системе использовались устойчивые к внешним воздействиям
покрытия марок HDAR GASIR 02 и iDLC компании UMICORE, наносимые на
поверхности деталей, изготовленных из Ge, GASIR, ZnSe и ZnS. Просветляющие
покрытия наносились на все внутренние оптические поверхности деталей, расположенных
до светоделителя; они компенсировали отчасти потери энергии на внешних, обращенных
к сцене поверхностях из-за нанесения на них защитных покрытий. В результате общее
пропускание лазерного излучения линзами, изготовленными из GASIR, составило 98%, а
светоделителя – более 80%.
Потери на рассеяние для дифракционной поверхности составили около 2%. Кроме
того, необходимо учитывать потери из-за несоответствия размера сечения пучка
принимаемого сигнала (около 44 мкм) и размера пикселов ФПУ (25 мкм).
В последние годы появились ОЭС, в которых переход от одного рабочего
спектрального диапазона к другому осуществляется путем быстрой перестройки
пропускания оптического фильтра без каких-либо механических перемещений. К ним
относятся малогабаритные, облегченные адаптивные узкополосные видеоспектрометры
MANTIS-1, 2,3 (Mission Аdaptable Narrowband Tunable Imaging Spectrometers), имеющие
четыре рабочих спектральных диапазона (MANTIS-3) и устанавливаемые на
малогабаритных или беспилотных летательных аппаратах [8].
Основное назначение оптических систем гиперспектральных видеоспектрометров
(ГВС) – разделение или выделение спектральной, пространственной и временнóй
составляющих информации о наблюдаемых объектах в форме, пригодной для записи и
обработки в приемнике излучения и последующем процессоре. Современные ГВС
отличаются от классических монохроматоров или трехцветных систем лучшим
спектральным разрешением, большей стабильностью калибровки и высоким качеством
изображения. Требования к этим системам ведут к необходимости использовать
телецентрические оптические схемы с малым хроматизмом, малой кривизной поля,
специфическим соотношением различных аберраций, устранять блики и рассеянное
внутри системы излучение. Для систем без полевой диафрагмы или входной щели,
например систем на перестраиваемых фильтрах, эти требования сохраняются. В них
необходимо также бороться с перекрытием двух кадров с различным спектральным
составом, разделенных во времени, а не в пространстве.
Основными параметрами приемных оптических систем ГВС являются:
 фокусное расстояние f /,
 диафрагменное число К,
 размер полевой диафрагмы,
 положение входного зрачка.
У самолетных сканирующих ГВС, наблюдающих сцену в надир, величина f/
зависит от высоты полета, мгновенного углового поля и размера разрешаемого пиксела.
Она обычно составляет 12…75 мм.
Современные ГВС, например Ocean PHILLS, имеют диафрагменные числа К
порядка 2,8…4,0, хотя спектрограф может быть рассчитан для К=2 [21]. Размеры входной
щели определяется заданным угловым полем. Для получения двумерной сцены щель
сканируется. Ширина щели определяется эффективным размером пиксела приемника
излучения, умноженным на увеличение спектрографа. Увеличение этой ширины
увеличивает полезное пропускание ГВС только в том случае, если для сохранения
квадратной формы мгновенного углового поля применяется анаморфотная оптическая
система. Кроме того, увеличение щели уменьшает спектральное разрешение, хотя в
большинстве самолетных ГВС изображения просматриваемых пикселов сцены занимают
2…4 пиксела приемника для увеличения отношения сигнал-шум, т.е. такая проблема не
возникает. Наибольшие трудности возникают при использовании анаморфотных
объективов, так как увеличение общего коэффициента усиления за счет уширения щели
- 32 ведет к уменьшению диафрагменного числа К, если пытаться создать оптическую схему с
тороидальными линзами или призмами, несмотря на сложность их изготовления.
В [21, 22] приводятся рекомендации по выбору оптической схемы приемной
оптики ГВС. В частности, сравниваются схемы Кассегрена-Ритчи-Кретьена, триплета
Кука (трехзеркального анастигмата) и объектива Шварцшильда.
Заслуживает внимания использование в ГВС схемы зеркального спектрометра
Оффнера, имеющего малую дисторсию, малое диафрагменное число К (большое
относительное отверстие) и большую величину углового поля. В этой схеме важно
выбрать положение зрачка, поскольку здесь имеет место телецентрический ход лучей
(входной зрачок в бесконечности). Щель определяет поле спектрографа; разложение в
спектр идет вдоль каждого ряда элементов приемника излучения (по строкам), а
пространственная информация о сцене снимается вдоль столбцов этих элементов. Для
установления допусков угол главного луча обычно составляет от 0,2о до 1о при
виньетировании менее 10% в зависимости от фокусного расстояния спектрометра.
В [22] описывается порядок проектирования оптической схемы спектрографа
Оффнера, построенной на базе двойной зеркальной системы Гаусса и оборачивающей
окулярной системы. Здесь же проводится сравнение полностью зеркальной схемы
спектрометра Оффнера с зеркально-линзовой системой спектрометра Дайсона, в которой
применяется иммерсионная линза, позволяющая проще осуществить юстировку, легче
обеспечить большую светосилу и уменьшить габариты оптической системы, что очень
важно в случае необходимости охлаждать всю эту систему (рис.3.7).
Рис.3.7. Оптические схемы спектрометров Оффнера (а) и Дайсона (б): 1 – входная
щель, 2 – дифракционная решетка, 3 – выходной спектр, 4 –иммерсионная линза
Допустимые значения аберраций, включая термоаберрации, увязываются с
требованиями к калибровке спектрометра. Особое внимание при этом уделяется
остаточному хроматизму, который трудно контролировать в системах с телецентрическим
ходом лучей, каковыми являются обе схемы. Этот хроматизм связан с изменением
увеличения при переходе от одних длин волн к другим, т.е. когда дисперсия по
направлению строк приемника становится большой и даже слабое спектральное
перекрытие может выглядеть как новая спектральная составляющая принимаемого
сигнала. Типичное значение такого перекрытия – 0,1 размера пиксела приемника.
Возможна оптическая компенсация этого явления путем помещения оптического клина
или другого силового компонента около щели или приемника, однако эти компоненты
становятся источниками рассеянного излучения.
В качестве примера в [22] указывается, что схема Дайсона с диафрагменным
числом К= 6 имеет объем в 50 раз меньший, чем объем схемы Оффнера с тем же К. Здесь
же приводятся оптические схемы спектрометра Дайсона в виде зеркально-линзового
- 33 моноблока, обеспечивающие в диапазоне 8…12 мкм работу в 256 спектральных каналах
при диафрагменном числе К=1,6. Диаметр диспергирующего элемента – дифракционной
решетки равен 66 мм при шаге штрихов 18 мкм. Малые размеры спектрометра Дайсона
позволяют охлаждать всю конструкцию до 100 К.
Телецентрические системы спектрометра на базе флюорида кальция или стекол с
малой дисперсией, применяемые в ГВС, требуют большего количества отдельных
компонентов для аберрационной коррекции и выравнивания по полю, чем в случае
фотографических объективов. Такое увеличение ведет к ухудшению пропускания и
усложнению оптической схемы. В инфракрасных системах для коррекции хроматизма
возможно использование гибридных (дифракционных, киноформных) линзовых
элементов, однако для видимого диапазона спектра это может быть непрактично из-за
требований иметь широкий спектральный диапазон.
Выравнивание освещенности по полю может быть достигнуто путем ввода
специального выравнивающего компонента непосредственно перед щелью или
изменением формы щели. Наиболее заметно на потери пропускания влияет астигматизм и
кривизна поля. Астигматизм может приводить к продольному хроматизму, а кривизна
поля – к расфокусировке и соответствующим усложнениям калибровки, особенно при
изменении положения фокуса из-за вариаций температуры. Компенсации астигматизма
приемной оптической системы можно достичь путем юстировки оптической системы
спектрографа, например путем небольшого наклона первого зеркала спектрографа
Оффнера, расположенного сразу же за щелью, и второго зеркала, расположенного перед
приемником, в разные стороны.
Обычно требуется, чтобы пропускание линзовой системы ГВС было не менее
65…75%, а зеркальной - не менее 90…95%. Применение просветляющих покрытий для
ближнего и среднего ИК- диапазонов снижает потери излучения на них до 0,75…1,5 %,
однако, эти покрытия могут привести к росту величины рассеянного излучения.
Отражение от корпуса щели и окружающих поверхностей может быть больше – до 5%.
Департаментом ночного видения и электронных датчиков (NVESD) Армии США
совместно с компанией ОASYS Technology LLC (FLIR) был создан опытный образец ИКС
переднего обзора (3rd Generation FLIR Demonstration), воплощающий в себе многие черты
перспективных ИКС 3-го поколения [9]. Оптическая система образца (рис.3.2) состоит из
двух основных узлов – афокальной системы и объектива, строящего изображение на
матричном приемнике излучения. Объектив, создающий изображения в двух
спектральных диапазонах, имеет четыре различных угловых поля. Анастигматическая
афокальная оптическая система переменного увеличения, размещаемая перед объективом,
состоит из трех зеркал и
позволяет подключать другие датчики, например,
телевизионную камеру для работы в видимом диапазоне. Первое и третье зеркала
афокальной системы – параболические, а второе – гиперболическое. Она рассчитана так,
чтобы достичь дифракционного предела разрешения в пределах углового поля в 4 о.
Внеосевое расположение зеркал позволяет избежать перекрытия пучков.
Положение входного зрачка, являющегося изображением апертурной диафрагмы,
которой служит размещенная внутри дьюара охлаждаемая диафрагма, локализуется как на
первичном зеркале афокальной системы, так и между этой системой и объективом,
строящим изображение наблюдаемой сцены. Положение входного зрачка объектива
совмещено с выходным зрачком афокальной системы. Такая схема позволяет
минимизировать общие габаритные размеры системы.
Двойное угловое поле обеспечивается перемещением вдоль оптической оси двух
линзовых компонентов. При их сближении обеспечивается большое угловое поле (10,4о х
13,8о), а при расхождении – поле 5,0о х 6,6о. Глубина фокусировки объектива переменного
увеличения составляет около 5 м.
- 34 В табл. 3.7 приводятся параметры четырех оптических каналов разработанного
образца. Каналы работают как в средневолновом (3…5 мкм), так и в длинноволновом
(8…12 мкм) ИК-диапазонах, причем изображения наблюдаемой сцены строятся в одной и
той же плоскости, где помещается матричный приемник формата 640 х 480 пикселов с
размерами 20 мкм.
Таблица 3.7. Параметры оптических систем опытного образца
3rd Gen Demonstrator [9]
Канал
Угловое поле, градус
Фокусное расстояние, мм
Диафрагменное число
Диаметр входного зрачка, мм
Увеличение, крат
1
0,9х1,2
610
6
101
11,5
2
1,9х2,5
290
3
96
5,5
3
5,0х6,6
111
3
37
2,1
4
10,4х13,8
53
3
17,5
1,0
Аппаратура работоспособна в диапазоне окружающих температур от -40о до +60оС.
Эксперимент показал, что при диаметре апертуры порядка 100 мм с помощью
разработанного образца можно продемонстрировать все преимущества систем 3-го
поколения при заметном сокращении габаритов прибора по сравнению с системой 2-го
поколения.
Агенство DARPA спонсирует программу MONTAGE по разработке компактной
ОЭС, работающей одновременно в видимом и ИК диапазонах спектра [23]. Сокращение
продольного габарита оптической системы достигается за счет использования сложного
двухстороннего зеркала с несколькими отражательными концентрическими кольцевыми
зонами различной кривизны на каждой стороне зеркала и делением входного зрачка на
три концентрические зоны. Центральная зона в виде круга, заменяющая обычную для
зеркальных и зеркально-линзовых зону затенения, используется для размещения
широкопольного линзового объектива, работающего в видимом диапазоне. Следующая за
ней кольцевая зона используется для работы зеркального объектива с троекратным
изломом хода лучей, также работающего в видимом диапазоне. Третья, периферийная
кольцевая зона работает в длинноволновом ИК диапазоне как зеркальный объектив с
четырехкратным изломом хода лучей, отражающихся от четырех зеркальных
поверхностей и собирающихся на чувствительный сой приемника – микроболометра
формата 640 х 480. Ряд зеркальных поверхностей на обеих сторонах зеркала выполнен в
виде концентрических кольцевых асферических поверхностей с помощью алмазного
точения.
- 35 -
Рис. 3.8. Многодиапазонная оптическая система MONTAGE
Так как все три объектива (зоны) имеют общую оптическую ось, в системе отсутствует
параллакс создаваемых ими изображений, что особенно важно для просмотра сцен с
большой глубиной поля. С учетом сравнительно больших размеров пикселов
современных микроболометров (17 …25 мкм) фокусное расстояние третьего объектива
(зоны) было выбрано достаточно большим (164 мм), чтобы обеспечить такие же
диафрагменное число, угловое поле и разрешение, какие имеют объективы (зоны),
работающие в видимом диапазоне. Подбор требуемых фокусных расстояний для каждого
объектива возможен путем изменения радиусов кривизны отражающих поверхностей в
каждом канале (зоне) систнмы.
Из-за большого коэффициента затемнения в центральной зоне углового поля ИК
канала может наблюдаться неоднородность облучения пикселов приемника. Это требует
применения схемы коррекции этой неоднородности.
Как известно , одним из способов повысить геометрическое разрешение ОЭС без
увеличения габаритов ФПУ и его формата, является микросканирование. Наиболее часто
амплитуда
принудительного
перемещения
изображения
по
поверхности
фоточувствительного слоя ФПУ равна размеру двух пикселов по каждой из декартовых
координат. Это позволяет удвоить эффективный формат ФПУ вдвое, т.е. повысить вдвое
разрешение, не увеличивая размеры ФПУ, а также удвоить частоту Найквиста,
определяющую предельную пространственную частоту в спектре изображения,
передаваемую без искажений.
В [24] описывается ИКС с зеркально-линзовым объективом, построенным по схеме
Кассегрена с коэффициентом затенения 0,5, и микроболометром формата 640х480
пикселов размером 25 мкм. Микросканирование в этой системе обеспечивается путем
колебания второго зеркального компонента объектива (контр-рефлектора) с амплитудой
50 угл.с. по двум осям, совпадающим с осями матрицы ФПУ. Наклоны контр-рефлектора
приводят к перемещениям изображения на два пикселя по каждой оси, т.е. эффективный
формат ФПУ становиться равным 1280х960. Это позволило отказаться от увеличения
вдвое фокусного расстояния объектива с целью повышения разрешения и, собственно, от
увеличения его массы и габаритов.
- 36 Система работает в спектральном диапазоне 7…14 мкм, фокусное расстояние
объектива равно 50 мм, а угловое поле – 22,6°. Эффективное диафрагменное число – не
менее 1,5. Поверхности первичного и вторичного зеркал, а также полевой линзы,
помещаемой перед микроболометром, выполнены асферическими. Падение освещенности
для углов в 6° не превышает 15%. Объектив снабжен блендами, снижающими засветку от
боковых помех. Диаметр объектива равен 75 мм, а длина – 100 мм; его масса не
превышает 250 г. Подбор материалов зеркал и их оправ позволяет осуществить
атермализацию для диапазона окружающих температур -30°…+60°С. Глубина
изображаемого пространства – от 25 м до бесконечности. Размер чувствительного слоя
микроболометра – 16х12 мм2. Значение ЭШРТ при эффективном относительном
отверстии объектива 1:1 и частоте кадров 60 Гц составляет около 60 мК. Переход от
одного пиксела к другому при микросканировании не превышает 1,5 мс, что гораздо
меньше постоянной времени пикселов микроболометра (7,5 мс). В системе имеется
ручная механическая система фокусировки с разрешением 5 мкм в диапазоне 2,5 мм.
Общая длина оптического блока, включая бленду, составляет 114 мм.
Рис.3.9. Оптическая смстема с микросканированием
Микросканирование повышает разрешение системы до 40 лин/мм. Наибольшее
разрешение достигается в центре углового поля. Виньетирование из-за затенения части
пучка лучей контр-рефлектором на краю поля составляет около 69%. Этот эффект
устраняется путем калибровки системы при которой между полевой линзой и
микроболометром периодически вводится затвор–шторка. Дисторсия на краю поля не
превышает 2%. Механизм микросканирования, потребляющий мощность порядка 1 Вт,
может быть отключен, если не требуется высокое пространственное разрешение.
Помимо описанной ИКС, получившей название IRXCAM-60, была разработана
аналогичная система для работы в средневолновом ИК, длинноволновом ИК и
терагерцовом диапазонах, в которой используется микроболометр формата 160х120 с
размером пикселов 52 мкм (IRXCAM-160). В [24] указывается, что возможно
адаптировать систему для работы с охлаждаемыми ФПУ в любом из участков широкого
ИК диапазона, а также для работы с микроболометрами компании Ulis, имеющими размер
пикселов 17 мкм.
При разработке двухдиапазонных систем все чаще применяются оптические системы с
переменным диафрагменным числом объектива, в состав которого входит охлаждаемая
- 37 диафрагма. При меньшем диафрагменном числе К лучше решается задача обнаружения
излучающих целей в длинноволновом ИК-диапазоне, а при большем К – задача
идентификации целей в средневолновом диапазоне. Так, разрабатываемые компанией
AIM Infrarot-Module GmbH системы будут иметь охлаждаемые диафрагмы и изменяемые
диафрагменные числа – К=3 и менее в длинноволновом ИК-диапазоне и К=6 и более в
средневолновом ИК-диапазоне [5].
Для ослабления или исключения вредного влияния собственного излучения
оптических деталей на работу высокочувствительных ФПУ, охлаждаемых до криогенных
температур, продолжаются попытки разработать такие ИКС, в которых оптическая
система помещается вместе с ФПУ в единый охлаждаемый объем – DDCA (DetectorDewar-Cooler Assembly).
Достоинством таких систем являются:
- отсутствие необходимости иметь механическую или электронную систему коррекции
расфокусировки, возникающей при изменении температуры окружающей объектив среды;
- снижение требований к системе коррекции неоднородности чувствительности пикселов
ФПУ, также возникающей при изменении окружающей температуры; кроме того, за счет
уменьшения количества и длительности этапов калибровки ФПУ при такой коррекции
уменьшается «нерабочее» время функционирования системы, когда, например, перед
ФПУ помещается равномерно излучающая шторка;
- снижение уровня фона от внутриприборного излучения, т.е. собственного излучения
оптических деталей и их оправ, находящихся при стабилизированной криогенной
температуре охлаждения.
Интересной представляется конструкция ИКС со встроенной в сосуд Дьюара (дьюар)
оптической системой, состоящей из трех линз и спектрального фильтра (рис.3.10) [25].
Перед дьюаром расположен неохлаждаемый защитный оптический компонент –
обтекатель, представляющий собой тонкий выпуклый мениск с одинаковыми внешним и
внутренним радиусами, т.е. имеющий нулевую оптическую силу.
Описанная в [25] охлаждаемая до 80 К система с диафрагменным числом К=2 и
угловым полем 105о х 135,5о, предназначена для получения изображения дальнего поля
при фокусировке на бесконечность или на другое фиксированное большое расстояние. В
связи с разными углами падения лучей на поверхности ее компонентов в системе
использованы просветляющие покрытия двух типов – для малых и больших углов
падения. Масса системы не превышает 5 г, а габариты невелики, что делает небольшой
тепловую нагрузку (охлаждаемую массу) системы охлаждения.
Исследования этой системы показали, что качество полученного с ее помощью
изображения точечного объекта близко к дифракционному пределу – значение функции
передачи модуляции не падало менее 0,66…0,7 от максимума для угла визирования 72 о и
пространственной частоты 24 периода/мм. В кружке рассеяния радиусом 7 мкм
содержалось 70…75% от всего потока, собираемого системой. Изменение облученности
чувствительного слоя ФПУ не превышало 10% на краю поля размером 65о.
В [25] приводятся результаты исследований такой системы при ослаблении
эффекта Нарцисса путем ввода специальной охлаждаемой диафрагмы, опоясывающей
первый линзовый компонент, помещаемый сразу после неохлаждаемого обтекателя.
Кроме того, исследовался процесс возникновения из-за наличия просветляющих
покрытий ложных изображений (гало) при появлении мощных боковых излучающих
помех, находящихся вне углового поля объектива, и рассеянного внутри корпуса дьюара
паразитного излучения. Как указывается в [25], предложенные меры борьбы или
ослабления этих вредных явлений оказались достаточно эффективными.
- 38 -
Рис.3.10. Охлаждаемая оптическая система
Расширение объема производства асферических и дифракционных линз
заставило искать более дешевые методы их изготовления, нежели применявшийся многие
годы метод одноточечного алмазного точения. Одним из таких методов является
моллирование (прессование). В [26] сопоставляются достоинства и недостатки этих двух
методов с точки зрения получения заданной формы оптической поверхности с
определенными допусками. При экспериментальных исследованиях технологического
процесса изготовления линз диаметром 10 мм время на изготовление методом
моллирования составило 33 минуты, а методом алмазного точения таких же линз – 153
мин. При моллировании одновременно формируются обе поверхности линзы,
исключается необходимость последующей центрировки, проще осуществляется контроль
параметров линзы. Компания LightPath Technologies разработала технологию
моллирования линз диаметром от 25 до 50 мм из халькогенидных стекол.
Одним из направлений развития современных ОЭС является создание
адаптивных систем, способных изменять свои параметры и характеристики при
изменении внешних условий. Простейшими являются системы, в которых автоматически
изменяется величина потока при облученности на фоточувствительном слое ФПУ, что
предотвращает насыщение ячеек схемы считывания зарядов с пикселов ФПУ или
растекание зарядов по соседним пикселам, т.е. снижение разрешающей способности всей
- 39 системы. Примером является устройство, работающее в видимом и ближнем ИК
диапазонах и названное динамическим солнечным фильтром (DSF – Dynamic Sunlight
Filter) [27].
В исходном(нормальном) состоянии, когда облученность не превышает некоторого
заданного уровня, фильтр полностью прозрачен. Если же облученность превышает
заданный порог, что может случиться при попадании прямого солнечного света на
входной зрачок ОЭС или при возникновении засветки от фар встречного автомобиля,
пропускание адаптивного фильтра падает, снижаясь практически до нуля. После
устранения внешней мощной засветки фильтр восстанавливает свое первоначальное
пропускание.
Описанный в [27] фильтр основан на новых наноструктурах и наночастицах,
используемых для создания нелинейной рассеивающей среды. Эта среда при малых
мощностях проходящего через нее сигнала вносит только поглощение потока, но не его
рассеивание. При увеличении сигнала растет его рассеивание. Фильтр может работать в
режиме блокирования сигнала – быстрого снижения пропускания до нуля и в режиме
постепенного нелинейного снижения прозрачности до некоторого уровня насыщенности.
В первом режиме происходит быстрое изменение взаимодействия металлических и
неметаллических слоев, из которых состоит фильтр, вплоть до их разрушения. Во втором
режиме возникает рассеяние излучения на наночастицах, находящихся на пути лучей и
вызывающих поглощение потока. Авторы [27] предполагают, что время отклика
(постоянная времени фильтра) не превышает 50 мс.
- 40 -
4. Фотоприемные матричные устройства
Хотя, как уже отмечалось выше, применение двух- и многодиапазонных ФПУ
позволяет упростить конструкцию системы, заметно уменьшить ее габариты, массу и
энергопотребление, а также увеличить быстродействие, в больщинстве известных ИКС -3
ближневолновый и коротковолновый ИК-диапазоны выделяются в отдельный
спектральный канал. В настоящее время в этом канале часто испольэуются матричные
ФПУ на базе InGaSb и InGaAs. Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц
рассматривается как путь замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в
приборах ночного видения.
Наиболее перспективными матричными ФПУ для ИКС 3-го поколения,
работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, представляются приемники на
базе тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур» (КРТ-ФПУ), фотоприемники на
квантовых ямах (ФКЯ-ФПУ), а также появившиеся сравнительно недавно ФПУ на
квантовых точках и на суперрешетках с деформированным слоем (strained layer
superlattice - SLS) типа II (СР-ФПУ).
Представляет интерес сравнить отдельные типы современных охлаждаемых
фотоприемников, используемых для создания таких матричных ФПУ. На рис.4.1
приведены теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* таких
приемников с различной квантовой эффективностью η от температуры охлаждения Т [28].
Рис.4.1. Теоретические зависимости удельной обнаружительной способности D* при
граничной длине волны спектральной характеристики 10 мкм от температуры
охлаждения Т для различных приемников ИК-излучения [28]: 1 – фотоэмиссионные
приемники (η=67%), 2 – приемники на основе примесной фотопроводимости
(η=35%), 3 – приемники на базе квантоворазмерных ям (η=33%), 4 и 5 - приемники
на базе квантовых точек при η=2% и 67%, соответственно, 6 – приемники на основе
тройных соединений «кадмий-ртуть-теллур (КРТ)» при η=67%, 7 – приемники на
основе суперрешеток с деформированным слоем типа II.
- 41 4.1. Фотоприемники на тройных соединениях КРТ[29-34]
Фотоприемные устройства на основе тройных соединений (КРТ-ФПУ) широко
используются в ИКС. В ближневолновом и средневолновом ИК-диапазонах материал
КРТ конкурирует с InGaSb (при λ=1,7 мкм) и с InSb (при λ=3…5 мкм).
Современная технология изготовления КРТ-ФПУ состоит в нанесении
множественных эпитаксиальных слоев на подложки из CdZnTe, которые достаточно
дороги. Она позволяет изменять длинноволновую границу спектральной характеристики
λгр и изготавливать двухдиапазонные КРТ-ФПУ большого формата – порядка 1000 х 1000
пикселов, работающие в ближневолновом/средневолновом и длинноволновом ИКдиапазонах. Такие приемники обладают высокой квантовой чувствительностью, им
свойственен малый уровень темнового тока.
Основной трудностью при выращивании структур на основе КРТ является сильная
зависимость ширины запрещенной зоны от состава КРТ-соединения. Даже небольшие
колебания температуры роста и температурная неоднородность по поверхности подложки
приводят к изменению этого состава и к соответствующим изменениям граничной длины
волны спектральной характеристики λгр. Поэтому однородность параметров отдельных
пикселов КРТ-ФПУ сравнительно невелика, особенно для длинноволнового ИКдиапазона. Процент выхода годных приемников, изготавливаемых из достаточно дорогого
материала – КРТ, невелик.
Последние разработки компаний CEA-LETI и Sofradir имеют спектральную
характеристику с λ гр  9,2 мкм при охлаждении до 77 К при квантовой эффективности
более 70% без применения антиотражательного покрытия.
Компания Selex представила результаты разработки КРТ-ФПУ формата 640х512 с
шагом (размером) пикселов 24 мкм, граничной длиной волны 10 мкм и хорошей
однородностью эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) по матрице для 99,6%
пикселов..
Двухдиапазонные
КРТ-ФПУ для средневолнового и длинноволнового ИКдиапазонов форматов 640х512 с размером пикселов 24 мкм разрабатываются компаниями
Sofradir и LETI (совместно), а также Selex. При одновременной работе в обоих диапазонах
ФПУ компания Selex обеспечила ЭШРТ порядка 24…26 мК.
Компанией Selex Sensor & Airborn Systems совместно с компанией QinetiQ
(Великобритания) разработаны двухдиапазонные матричные приемники на КРТ формата
320 х 256 с размерами пикселов 30 мкм, работающие в средневолновом (ЭШРТ = 12 мК) и
длинноволновом (ЭШРТ = 20 мК) ИК-диапазонах.
Примером разработок, направленных на уменьшение размеров пикселов ФПУ на
базе КРТ , являются КРТ-ФПУ компании AIM Infrarot-Module GmbH формата 640 х 512
пикселов размерами 24 и 15 мкм, работающие в среднем и длинноволновом ИКдиапазонах. В типовой конструкции ИКС на их основе применяется охлаждаемая
диафрагма (диафрагменное число равно 4,6). При времени накопления 5 мс в
средневолновом ИК-диапазоне ЭШРТ не превышает 25 мК, а в длинноволновом ИКдиапазоне с граничными длинами волн спектральной характеристики λгр = 9,2 мкм (при
Тохл=67 К) или 10 мкм при диафрагменном числе 2,05 и времени накопления 180 мкс
ЭШРТ не превышала 38 мК. Для охлаждения этих ФПУ используются либо традиционные
портативные системы с вращающимся компрессором, обладающие сравнительно
небольшим энергопотреблением (Ricor R508), либо новые бесшумные линейные системы
с увеличенным сроком безотказной работы – более 20 тысяч часов (5Х095). Компания
ставит своей задачей создание двухдиапазонных ФПУ (0,9…2,5 и 12…15 мкм) для
дистанционного зондирования из космоса. Кроме того, для работы в средневолновом ИКдиапазоне предполагается создать ФПУ формата 640 х 512 пикселов размерами 12 мкм,
- 42 охлаждаемые до 120 К, что позволит уменьшить габариты, массу, энергопотребление и
стоимость систем, в которых они будут использоваться.
Для 3-го поколения метеоспутников, намеченных к запуску на геостационарные
орбиты после 2015 г., компания AIM Infrarot-Module GmbH разрабатывает КРТ - ФПУ
формата 256 х 256 с λгр=14 мкм при Тохл=55 К. Предполагается, что эти ФПУ с размером
матрицы 1 х 1 см2 обеспечат ЭШРТ порядка 24 мК при плотности темнового тока 1
пА/мкм2.
Для создания двухдиапазонных КРТ-ФПУ формата 640 х 512 пикселов с
размерами 24 и 20 мкм, работающих в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах,
компания SELEX Galileo Infrared Ltd. использует эпитаксию паров металло-органических
соединений (MOVPE), при которой достигаются снижение стоимости, увеличивается
выход крупноформатных ФПУ с малым процентом дефектных пикселов, уменьшается
неоднородность чувствительности отдельных пикселов. Использование подложки из
GaAs позволяет интегрировать фоточувствительный слой и схему накопления и
считывания, а также уменьшить потери на отражение и остаточные напряжения, по
сравнению с подложками из CdZnTe. За счет уменьшения размеров пикселов до 24 мкм в
средневолновом ИК-диапазоне удалось достичь значения ЭШРТ порядка 10 мК, а при
размерах пикселов 20 мкм – 14 мК. В длинноволновом ИК-диапазоне значение ЭШРТ
составило 23 и 27 мК для пикселов с размерами 24 и 20 мкм, соответственно. Нужно
отметить, что достижение ЭШРТ менее 20 мК в средневолновом диапазоне для размеров
пикселов 16 мкм стало возможным при температуре охлаждения порядка 150 К. Можно
привести таблицу уже достигнутых параметров одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ
компании SELEX Galileo Infrared Ltd.
Таблица 4.1. Некоторые параметры одно- и двухдиапазонных ИКС и ФПУ компании
SELEX Galileo Infrared Ltd.
Спектральный
диапазон,
мкм
Тип (марка) ИКС
Разме
р
пиксе
ла,
мкм
Формат
Средняя
ЭШРТ, мК
Диафрагменное
число
объектива, f'/D
Процент
годных
пикселов,%
3..5
8,0..9,5
EAGLE
OSPREY
HAWK
MERLIN
LW EAGLE
LW HARPTER
LW OSPREY-C
LW HAWK
LW MERLIN
CONDOR II
24
20
16
16
24
24
20
16
16
24
640х512
384х288
640х512
1024х768
640х512
640х512
384х288
640х512
1024х768
640х512
3,8..4,9
CONDOR III
20
640х512
11
17
16
16
20
17 (12)
28
33 (26)
33 (26)
11
23
14
27
4
2,3
4
2
2
2
2
2
2
-
>99,98
>99,97
>99,99
>99,99
>99,98
>99,95
>99,97
>99,8
>99,4
>99,92
>99,75
>99,18
>99,71
8..12
Особое внимание разработчиков КРТ-ФПУ, чувствительных в средневолновом ИКдиапазоне,
привлекает возможность увеличить рабочую температуру этих
фотоприемников (температуру их охлаждения). Подобные разработки ведут различные
фирмы. Разработанные компанией DRS-RSTA ФПУ на КРТ-фотодиодах типа n+- n- - p+
способны при температуре охлаждения 160…170 К обеспечить ЭШРТ менее 25 мК и λ гр =
- 43 4,8 мкм при диафрагменном числе объектива К=3, а для фотодиодов типа n+- p - - p+ при
190 К получить ЭШРТ менее 30 мК для К=3 и даже 240 К для К=1.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом
прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера разрабатывает КРТ-ФПУ форматов
640 х 512 с пикселами 20 мкм, работающие в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. Для первого
из этих диапазонов ЭШРТ составляет менее 25 мК при диафрагменном числе объектива
К=4,6 и времени накопления tи = 5 мс; для второго ЭШРТ менее 30 мК при К=2 и tи=110
мкс. В модульных конструкциях на базе этих ФПУ используются экономичные
охлаждающие устройства с временем наработки более 20000 час. Предполагается создать
такие ФПУ с изменяющейся для каждого диапазона охлаждаемой диафрагмой, что
позволит использовать для обнаружения длинноволновый канал с относительным
отверстием объектива 1:3, а для распознавания – средневолновый канал с относительным
отверстием 1 : 6 .
В последние годы эта компания разрабатывает ФПУ форматов 640 х 512 и 1280 х
1024 с шагом пикселов 15…40 мкм, чувствительных в ближнем ИК (0,9…2,5 мкм) или в
длинноволновом ИК (λгр ≥15 мкм) спектральных диапазонах. Разрабатываемые ФПУ
могут быть уже сейчас использованы в двух- или многодиапазонных ОЭС с выделением
спектральных диапазонов не в ФПУ, а в оптической схеме.
К другим направлениям совершенствования двухдиапазонных матричных
приемников на базе КРТ являются улучшение «спектрального разделения» и обеспечение
одновременного считывания сигналов в обоих рабочих спектральных диапазонах.
В США ИКС 3-го поколения выходят из стадии НИОКР, ведущихся по программе
Армии США (Dual-Band FPA Manufacturing Program), предусматривающей создание
двухдиапазонных матричных приемников излучения с форматом 1280 х 720 или 640 х 480
на базе тройных соединений КРТ с пикселами 20 мкм. Приемники, разработанные и
продемонстрированные фирмой Raytheon Vision Systems, работают по принципу сэндвича
в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах. Граничная длина волны в длинноволновом
диапазоне составляет 10,5 мкм при температуре охлаждения 78 К. Чувствительность
приемников при этом оценивается ЭШРТ в 20 мК для средневолнового диапазона и 30 мК
для длинноволнового при диафрагменном числе объектива 3,5. Процент годных пикселов
составил более 99,9% в длинноволновом диапазоне и свыше 98,5% в средневолновом.
На рис.4.2 приведены спектральные характеристики одного из таких приемников
формата 256 х 256 или 512 х 512 с шагом пикселов 30 мкм, работающего при температуре
охлаждения 70 К.
Относительная чувствительность
Sλ,
отн.ед.
Длина волны, мкм
λ, мкм
Рис.4.2. Спектральные характеристики Sλ=f(λ) двухдиапазонного КРТ-ФПУ
Вся конструкция размещена в корпусе с габаритами 41,91 мм (диаметр) х 101,6 мм
(длина). Приемники изготавливались из трехслойных пластин КРТ с гетеропереходами по
- 44 методу молекулярно-лучевой эпитаксии. Одновременная работа в двух спектральных
диапазонах обеспечивалась в специально разработанной схеме считывания TDMI ROIC
(SB-350) формата 1280x720 с помощью режима мультиплексной интеграции с временны́м
уплотнением. Частота опроса пикселов была доведена до 15 МГц. Кадровая частота
двухдиапазонных изображений составила 60 Гц.
В системе с такими приемниками в дальнейшем предусмотрено использование
перед чувствительным слоем ФПУ охлаждаемой диафрагмы переменного размера,
обеспечивающей диафрагменные числа 3,5 и 6,5, а также холодильника Стирлинга с
хладопроизводительностью 600 мВт. Система охлаждения будет включать механизм
изменения размера охлаждаемой диафрагмы, построенный на базе пьезоэлектрического
привода.
Компания SOFRADIR (Франция) продолжает совершенствовать ИК-матрицы на
базе КРТ. Разработана кремниевая схема считывания, увеличена кадровая частота,
усовершенствован аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Интегрированные в схему
считывания АЦП позволяют реализовать новые специальные функции преобразования
сигналов, упростить электрический интерфейс и снизить стоимость системы охлаждения
и потребляемую мощность. Формат схемы считывания – 640 х 512 с шагом пикселов 15
мкм. Аналого-цифровое преобразование осуществляется по «столбцовой» схеме, при
которой сигналы с пикселов мультиплексируются в столбцы на входе одного АЦП и
частота выборки уменьшается до скорости опроса строк. Разрешающая способность АЦП
при этом достигает 15 бит с частотой выборки (дискретизации) 62 кГц.
При малых напряжениях смещения приемник чувствителен либо к
коротковолновому, либо к длинноволновому излучению в зависимости от полярности
приложенного напряжения, как это свойственно двухдиапазонным приемникам.
Увеличение обратного смещения снижает барьер, который предотвращает поток
электронов из промежуточной области как генерируемых в этой области, так и вызванных
прямой инжекцией прямосмещенного перехода. При достижении определенной величины
обратного смещения электроны, генерируемые фотонами в промежуточной области,
смогут пересечь переход, и граничная длина волны перемещается в сторону бóльших длин
волн по сравнению с граничной длиной волны коротковолнового диапазона. При
изменении напряжения смещения на положительное граничная длина волны сдвигается к
длинноволновому диапазону. Подобным образом увеличение положительного смещения
сдвигает границу в коротковолновый диапазон. Идеальная чувствительность в
промежуточном диапазоне может быть реально не достижима из-за недостаточного
поглощения излучения в промежуточной p-области. Испытания опытных образцов
приемника проводились при температурах охлаждения 77 К, а также при 145 и 192 К. На
рис.4.3 показаны спектральные характеристики (сглаженные) трехдиапазонного
приемника при различных смещениях.
Переход
к
использованию
кремниевых
подложек при
изготовлении
крупноформатных КРТ-ФПУ (1536 х 1024 пикселов с размерами 15 мкм), работающих в
ближнем и средневолновом ИК-диапазонах при температурах охлаждения Тохл=140…160
К, позволил при диафрагменном числе К=3,4 достичь режима ограничения фоном до
λгр=3,7 мкм в ближнем ИК-поддиапазоне и до λгр=4,8 мкм
в средневолновом ИКподдиапазоне при Тохл=115 К.
Сочетание фоточувствительного слоя из КРТ и кремниевой схемы накопления и
считывания позволило компании QinetiQ Ltd. разработать ФПУ с ЭШРТ близкой к 10 мК
при частоте кадров 2 кГц для широкого спектрального диапазона – 2,5…10,5 мкм.
Компания RVS (Raytheon Vision Systems) разработала ФПУ самого большого из
известных сегодня форматов – 4096 х 4096 пикселов размером 20 мкм, работающее в
ближнем (температура охлаждения Тохл=110 К) и средневолновом (Тохл= 80 К) ИК-
- 45 -
Чувствительность, отн. ед.
диапазонах. Эти ФПУ были разработаны для ИК космических систем отражения ракетной
угрозы (SBIRS).
1,0
+(0,2…0,6) В
-0,6 В
0,5
0В
+0,1В
0
2,0
2,5
3,3
5,0
10,0
Длина волны, мкм
Рис.4.3. Спектральные характеристики трехдиапазонного приемника при различных
напряжениях смещения [35]
4.2. Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям [2, 3, 36-38 и др.]
Матричные фотоприемники или ФПУ на базе квантоворазмерных ям (ФКЯ-ФПУ)
имеют достаточно узкие спектральные характеристики в двух или более спектральных
диапазонах. В них используются недорогие подложки (GaAs), у них низок процент
дефектных пикселов. Отработанная технология и узкополосное поглощение
(Δλ/λ=0,1…0,2) позволяют производить двух- и многодиапазонные ФКЯ-ФПУ с почти не
перекрывающимися рабочими спектральными диапазонами.
Для увеличения поглощения падающего на приемник излучения в современных
ФКЯ фоточувствительный слой соединен с резонатором или дифракционной решеткой.
Наиболее часто используется резонатор Фабри-Перо. Однако изготовление этих
резонаторов с малой шириной ямы и его соединение с фоточувствительным слоем,
размещаемым между пластинами резонатора, заметно затрудняет изготовление
многодиапазонных приемников. При этом также возникает необходимость иметь
дополнительные технические операции для создания различных полос поглощения в
одном и том же чувствительном слое.
Малая квантовая эффективность ФКЯ из-за невозможности приема нормально
падающего на приемник излучения вынуждает иметь продолжительное время накопления
зарядов для достижения хорошей ЭШРТ. Кроме того, для уменьшения темновых токов
температура охлаждения ФКЯ должна быть меньше, чем у КРТ.
Известные достоинства ФПУ на базе структур с квантовыми ямами (ФПУ-СКЯ)
послужили основанием для выбора этих устройств для обеспечения работы ряда ИКС в
длинноволновом ИК-диапазоне. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion
Laboratory) Калифорнийского технологического института продолжает разработки
двухдиапазонных ФПУ-СКЯ. Сообщалось о первых испытаниях крупноформатного
- 46 (1024х1024) ФПУ-СКЯ с размером пикселов 30 мкм, работающего одновременно в
спектральных диапазонах 4,4…5,1 и 7,8…8,8 мкм при температуре 68 К. Такое
мегапиксельное ФПУ имеет ЭШРТ порядка 27 и 40 мК в этих диапазонах, соответственно.
В рабочих спектральных полосах предполагается обеспечить эквивалентную шуму
облученность не менее 0,059 Вт/(м2·ср·мкм) и 0,049 Вт/(м2·ср·мкм), а ЭШРТ в обеих
полосах – не менее 0,33 К (для температуры наземной сцены 300 К).
Предполагается использование объектива с диафрагменным числом К=1,64 и трех
охлаждаемых до Т = 43 К ФПУ формата 640 х 512 с размером пикселов 25 мкм с допуском
на стабильность Т в 0,01 К. Время накопления зарядов – 5 мс. Температура первого
зеркала объектива принята равной 293 К с допуском на ее стабильность в 1 К, а фона,
создаваемого в том числе и оптической системой – 180 К с допуском 0,1 К. Емкость ячеек
схемы считывания должна быть не менее 5·106 электронов, а шум считывания менее 1000
электронов.
Матрицы на базе кванторазмерных ям выпускаются рядом компаний. Так,
компании Thales и Sofradir производят матрицы форматов 384х288 и 640х512 с шагом
пикселов 25 и 20 мкм соответственно.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) еще в 2005 г. представила
двухдиапазонное ФКЯ-ФПУ формата 384 х 288 х 2 с размерами пикселов 40 мкм,
работающее одновременно в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. При полном удалении
подложки была заметно улучшена функция передачи модуляции, что обеспечило высокую
разрешающую способность.
В 2009 г. Лаборатория реактивного движения (JPL) Калифорнийского
технологического института опубликовала статью, в которой подводятся итоги
разработок крупноформатных ФПУ на базе соединений InGaAs/GaAs/AlGaAs,
работающих в двух и четырех спектральных диапазонах [37]. Подробно описывается
конструкция четырехдиапазонного ФПУ общего формата 640 х 512 пикселов с
пространственно разделенными по отдельным столбцам спектральными каналами,
каждый из которых имеет формат 640 х 128 пикселов [37]. Такая конструкция ФПУ
позволяет вести прием и считывание сигналов в отдельных спектральных диапазонах
одновременно, что увеличивает быстродействие ФПУ и позволяет использовать единую
для всех диапазонов систему охлаждения.
Sλ
Д1
Д2
Д3
Д4
λ, мкм
Рис.4.4. Спектральная характеристика чувствительности Sλ четырехдиапазонного
ФКЯ-ФПУ
- 47 -
SІ, А/Вт
Д3
Д1х5
Д2
Д4
Напряжение смещения, В
Рис.4.5. Вольтовые характеристики токовой чувствительности SІ в максимумах
спектральных характеристик отдельных спектральных диапазонов (для сохранения
единого масштаба кривая чувствительности для Д1 умножена на 5).
D*,
см·Гц1/2·Вт-1
4-6 мкм
8.5-10 мкм
10-12 мкм
13-15 мкм
Т, К
Рис.4.6. Зависимости удельных обнаружительных способностей D* от температуры
охлаждения для каждого из рабочих
cпектральных диапазонов Д1….Д4
четырехдиапазонного ФПУ [37].
Спектральные характеристики четырехдиапазонного приемника, описанного в
[37], имеют максимумы на длинах волн 5,0; 9,1; 11,0 и 14,2 мкм (рис.4.4), а
соответствующие значения относительной ширины полосы Δλ/λ равны 26%, 15%, 17% и
11%. На рис.4.5 показаны зависимости максимума спектральной вольтовой
чувствительности отдельных спектральных каналов такого приемника (Д1=4…6 мкм,
Д2=8,5…10,0 мкм, Д3=10…12 мкм и Д4=13…15 мкм) от величины напряжения смещения,
а на рис.4.6 приведены значения удельной обнаружительной способности отдельного
пиксела каждого из каналов при напряжении смещения -1,5 В, диафрагменном числе
объектива К=5 и температуре фона 300 К.
При использовании кремниевой КМОП-схемы считывания и температуре
охлаждения фотоприемника менее 83 К отношение сигнал-шум в спектральном канале
4…6 мкм ограничивалось неоднородностью чувствительности пикселов ФПУ, шумом
схемы считывания и дробовым шумом. При температуре охлаждения около 45 К для
канала 13…15 мкм это ограничение определялось темновым токовым шумом. Для
диапазонов 8,5…10,0 и 10…12 мкм при температуре охлаждения 45…83 К был достигнут
предел - радиационный шум фона.
Процент годных пикселов был высок - свыше 99,9%. Экспериментально
полученные значения ЭШРТ для диапазонов Д1,,,Д4 при температуре охлаждения 40 К
составили 21, 45, 14 и 44 мК, соответственно. Сравнительно большие значения ЭШРТ для
диапазонов Д2 и Д4 объясняются большим влиянием геометрического шума.
В [37] рассмотрена возможность применения четырехдиапазонного ФПУ в
качестве устройства для измерения температуры наблюдаемых объектов.
- 48 -
Чувствительность, отн.ед.
Авторы [37] описывают конструкцию двухдиапазонного ФПУ, построенного по
схеме сэндвича и работающего одновременно в средневолновом и длинноволновом ИКдиапазонах. Разделительным слоем является тонкий слой (0,5 мкм) легированного GaAs.
Спектральная характеристика ФПУ представлена на рис.4.7, а конструкция одного
пиксела – на рис.4.8.
Длина волны, мкм
Рис. 4.7. Спектральная характеристика двухдиапазонного ФПУ
Рис. 4.8. Схематическое изображение одного пиксела двухдиапазонного ФПУ (MWIR средневолновый, LWIR – длинноволновый ИК-диапазоны)
Первые разработки таких ФПУ имели формат 320 х 256 пикселов с периодом
расположения 40 мкм и площадью фоточувствительного слоя 38 х 38 мкм2. Число годных
пикселов ревышало 95 %. В системе охлаждения использовался холодильник Стирлинга
замкнутого типа. При температурах охлаждения ниже 68 К отношение сигнал-шум
ограничивалось неоднородностью фоточувствительной матрицы, шумами схемы
считывания и радиационным шумом приходящего сигнала. При температуре охлаждения
более 72 К превалировало влияние темновых токов.
- 49 Для кадровой частоты 30 Гц при температуре охлаждения 65 К экспериментально
измеренная эквивалентная шуму разность температур составила 28 мК для
средневолнового и 38 мК для длинноволнового ИК-диапазонов.
Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать ФПУ большого
формата (1024 х 1024) [37]. Измеренная удельная обнаружительная способность в
максимуме спектральной характеристики средневолнового диапазона при напряжении
смещения -1 В и температуре охлаждения 90 К составила 4∙1011см∙Гц0,5∙Вт-1, а в
максимуме спектральной характеристики длинноволнового диапазона при напряжении
смещения -1 В и температуре охлаждения 70 К была равна 1∙1011см∙Гц0,5∙Вт-1.
Эквивалентная шуму разность температур при температуре охлаждения 70 К составила 27
и 40 мК для средневолнового и длинноволнового ИК диапазона, соответственно.
В [38] сообщается о создании ФПУ, работающего в спектральных диапазонах
3,6…5,4 и 7…9 мкм и имеющего формат 256 х 256 пикселов размерами 25 мкм. В первом
из них максимум квантовой эффективности (55%) приходится на длину волны 4,7 мкм, а
во втором (23%) – на 8,8 мкм. При диафрагменном числе 2,6 и времени накопления менее
5 мс значения ЭШРТ в обоих диапазонах составили менее 50 мК. Рабочие температуры
ФПУ были равны менее 70 К в первом из диапазонов и менее 65 К во втором. Такие ФПУ,
включающие в себя схему считывания и накопления ISC0208 фирмы Indigo, создавались
для тепловизора CATHERINE-XP.
4.3. Фотоприемники на квантовых точках (ФКТ) [28? 39-42]
В этих ФПУ (ФКТ-ФПУ), по сравнению с ФКЯ, квантовые ямы заменены
квантовыми точками, имеющими объемную локализацию во всех направлениях.
Приемники излучения на квантовых точках (QDIP) принято считать одними из наиболее
перспективных для создания новых ИКС 3-го поколения. В [28] отмечается, что такие
свойства ФКТ-ФПУ как возможность принимать излучение, падающее по нормали к
поверхности фоточувствительного слоя, т.е. высокая квантовая чувствительность, малый
темновой ток, сравнительно высокая рабочая температура, а также хорошо освоенная
технология изготовления матричных ФПУ, подобная технологии материалов А3В5 на
дешевых подложках., позволят им уже в ближайшем будущем конкурировать с КРТ-ФПУ.
Сообщалось о создании QDIP-приемников, способных работать в средневолновом ИКдиапазоне (3…5 мкм) при температуре охлаждения выше 200 К и в длинноволновом ИКдиапазоне (8…12 мкм) при140 К [39].
Для создания двух- и многодиапазонных фотоприемников используются различные
технологии. Так, известны приемники в виде матрицы пикселов, каждый из которых
состоит из двух фотодиодов, соединенных по схеме «спина к спине». Каждый пиксел для
образования двухдиапазонного приемника имеет два контакта, куда подаются напряжения
смещения.
Другой тип приемника использует изменяемое напряжение смещения для сдвига
спектральной характеристики. Достоинством этой конструкции является упрощение
технологии изготовления приемника за счет уменьшения числа контактов, наносимых на
отдельные пикселы. Принцип работы перестраиваемого двухдиапазонного ФПУ на
квантовых точках заключается в следующем. При малом напряжении смещения высокие
энергетические барьеры в многослойной структуре GaAs блокируют носители, созданные
длинноволновым ИК-излучением, и приемник работает в средневолновом диапазоне. При
возрастании напряжения смещения высота барьеров уменьшается, что позволяет
регистрировать фотоэлектроны, вызванные поглощением излучения в длинноволновом
диапазоне и перешедшие барьеры. При отрицательном напряжении смещения порядка 0,3 В из-за отсутствия барьеров, блокирующих длинноволновое излучение, приемник
- 50 работает одновременно в обоих спектральных диапазонах. Таким образом, меняя
величину смещения, можно управлять режимом работы ФПУ.
Известна разновидность QDIP-приемников, в которых квантовые точки InAs
внедрены в квантовые ямы InGaAs с ослабленной деформацией. В них ширина квантовых
ям меняется асимметрично вверху и внизу ямы, что приводит к различию спектральных
чувствительностей при положительных и отрицательных смещениях [40].
Нужно отметить сильное влияние квантовой эффективности на D*
фотоприемников на базе квантовых точек. Настройка квантовых точек может
осуществляться изменением напряжения смещения [41]. Считается, что по сравнению с
квантовыми ямами квантовые точки имеют более продолжительное время жизни
благодаря подавлению фотонного рассеяния и большей продолжительности
возбужденных состояний.
В [42] описывается конструкция и технология изготовления многодиапазонного
фотоприемника, в котором падающее излучение поступает на поверхность
фоточувствительного слоя через плазмон - слой серебра толщиной около 150 нм в виде
периодической двумерной решетки с квадратными отверстиями. Спектральной
характеристикой приемника можно управлять, при изменяя шаг решетки, т.е. резонансные
моды плазмона.
Конструкция пиксела такого приемника содержит подложку из GaAs, на которую
последовательно наносятся нижний слой из n-GaAs с металлическими контактами,
активный слой, в котором содержатся наборы из квантовых точек, внедренных в
квантовые ямы, и промежуточные барьеры. Затем идут верхний слой из n-GaA с
контактами и верхний металлический слой – плазмон.
Активные слои пикселов состоят из квантовых точек InSb, внедренных в
одиночные или двойные квантовые ямы. Конструкция с одиночными квантовыми ямами
содержала набор из 15-ти InSb-точек, помещаемых в ямы In0,15Ga0,85As с барьерами из
GaAs. В конструкции с двойными квантовыми ямами использовались наборы из 30-ти
InSb-точек в ямах In0.15Ga0.85As/GaAs с барьерами из Al0.1Ga0.9As.
При температуре охлаждения опытного образца Т=30 К и положительном
смещении 4 В спектральная характеристика имела широкую область чувствительности от 7 до 10,4 мкм. При Т=30 К и смещении -4,2 В области спектральной чувствительности
составили 4,9…7,8 мкм и 10…11 мкм с максимумом на 10,3 мкм и полушириной полосы
около этого пика порядка 1,4 мкм. При меньших напряжениях смещения пик
спектральной характеристики чувствительности образца приходился на средневолновый
ИК-диапазон.
Исследования такого приемника проводились при отношении ширины отверстия
плазмона к периоду размещения отверстий (период решетки) 0,567 и отношении этого
отверстия к длине волны порядка 0,31. При увеличении периода решетки пик
спектральной характеристики смещался в сторону больших длин волн.
Определялась чувствительность приемника к состоянию поляризации падающего
на него излучения. При температуре охлаждения 77 К и напряжении смещения 5 В
резонансный пик спектральной чувствительности к неполяризованному излучению
наблюдался на длине волны 6,8 мкм при состоянии поляризации 0о. При изменении
состояния поляризации на 90о эта чувствительность падала вдвое. При этом возникал
небольшой пик чувствительности в области около 8 мкм.
Компания RTI International сообщила о новых образцах фотоприемников на базе
квантовых точек (ФКТ-ФПУ), с увеличенным спектральным диапазоном, по сравнению с
ФПУ на InGaAs. Квантовая чувствительность таких фотодиодов превышает 50%, а
постоянная времени составляет
менее 10 мкс, что делает их пригодными для
использования в быстродействующих ИКС. Линейность входного сигнала наблюдалась в
динамическом диапазоне 40дБ. Они работают при комнатной температуре и хорошо
- 51 сочетаются с монолитными интегральными схемами считывания на гибких подложках,
что снимает всякие ограничения по размеру ФПУ. Технология их изготовления
достаточно проста, что значительно снижает стоимость ФПУ. Эта технология позволяет
создавать крупногабаритные многодиапазонные МФПУ с расширенной спектральной
характеристикой в диапазоне 0,25….1,8 мкм.
Устройства работают на гетеропереходах PbS-C60 (фуллерен). Структура
фотодиодного ФКТ состоит из прозрачной для излучения стеклянной подложки, на
которую наносится прозрачный проводник, обычно окисел In и Sn. Этот проводник
является одним из контактов фотодиода. Затем следует активная область, состоящая из
блокирующего электронного слоя, слоя квантовых точек PbS диаметром порядка 5 нм,
слоя фуллерена и, наконец, слоя, блокирующего дырки. Квантовые точки размещаются в
органическом растворителе, обычно толуоле. Слой с квантовыми точками имеет толщину
порядка 100 нм. Слой фуллерена напыляется на слой с квантовыми точками.
Блокирующие (изолирующие) слои могут наносится испарением или нанесением из
раствора. На активную область наносятся верхние контакты из Al. В опытных образцах
диаметр Al-контактов был равен 3 мм. Обратное смещение составляло – 2В. В качестве
верхнего контакта предлагается использовать пикселы схемы считывания вместо Alконтактов.
4.4. Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II [4349]
Как альтернативу ФПУ на основе КРТ и СКЯ в последние годы все чаще
рассматривают фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа
II (type II superlattice – T2SL). Такие ФПУ позволяют сравнительно просто получать
перестраиваемую длинноволновую границу спектральной характеристики λгр; они
обладают высокой поглощательной способностью и, как следствие, высокой квантовой
эффективностью, более однородны по фоточувствительному слою, имеют малые
темновые токи. Сегодня создание крупноформатных ФПУ на базе T2SL затруднено из-за
ограниченных размеров подложек из GaSb, применяемых при их изготовлении. Лучшие
T2SL-ФПУ имеют форматы 320 х 256 пикселов и менее. Так, сообщается об
изготовлении T2SL-ФПУ на базе гибридных гетероструктур InAs/GaInSb/AlGaInSb
формата 256 х 256 пикселов размером 40 мкм, работающих при температурах 78…80 К и
имеющих квантовую эффективность около 40% на длине волны 8 мкм. Темновые токи
этих ФПУ в 10…20 раз меньше, чем у близких по параметрам ФПУ-КРТ. Значение λгр у
этих ФПУ может смещаться от 9 до 11,5 мкм.
В последнее время привлекает внимание возможность создания T2SL-ФПУ T2SLФПУ на подложках из GaAs, хорошо освоенного в электронной промышленности. В таких
ФПУ уже достигнута удельная обнаружительная способность D‫ =٭‬1,1∙1011 Вт-1см Гц1/2
при Тохл=77 К в диапазоне 8…12 мкм.
Работа фотоприемников на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II
(СР-ФПУ) основана на аномальном взаимном расположении зоны проводимости InAs и
валентной зоны GaSb – первая расположена ниже второй. Ширину запрещенной зоны в
них можно подбирать в широких пределах (3…30 мкм), и она в большей степени зависит
от толщины слоев, нежели от композиции материалов. Технология изготовления СР-ФПУ,
основанная на молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет формировать однородные
фоточувствительные слои с высоким процентом годных приемников. При этом имеется
возможность точной регулировки λгр . Значение λгр растет с увеличением рабочей
температуры; значение ЭШРТ остается практически постоянным до 90 К, после чего
- 52 начинает резко возрастать. Это вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны, что
ведет к возрастанию тепловой генерации носителей заряда [43].
Интерес к CР-ФПУ, обладающим большим коэффициентом поглощения, возник изза возможности замены ими КРТ-ФПУ, а также из-за того, что они поглощают нормально
падающее на них излучение, так что в отличие от ФКЯ-ФПУ никаких дифракционных
структур в их конструкции не требуется. Технология их изготовления основана на хорошо
отработанной технологии материалов А3В5 на дешевых подложках. Из рис.4.1 видно, что
теоретическое значение D* у них выше, чем у других типов приемников.
Распространенными материалами CР-ФПУ являются InAs, GaSb, AlSb, GaInSb. В
последние годы демонстрировались СР-ФПУ средневолнового и длинноволнового ИКдиапазонов. В [43] сообщалось о разработке матрицы формата 320 х 256 на базе
InAs/GaSb с λгр =9,6 мкм на уровне 50% от максимума при температуре 80 К. Квантовая
эффективность при использовании антиотражающего покрытия составила 80%, а ЭШРТ –
23 мК. Матрица работает с частотой кадров более 32 Гц и при смещениях от 120 до 200
мВ без изменения чувствительности.
В последние годы усилия исследователей из Фраунгоферского института
прикладной физики твердого тела (IAF) были направлены на создание серийных образцов
двухдиапазонных ФПУ на сверхрешетках типа II третьего поколения, для ИКС,
работающих в средневолновом ИК-диапазоне (3…5мкм. Такие ФПУ идеально подходят
для работы в составе бортовых комплексов оповещения о ракетной угрозе, благодаря
возможности обеспечивать малую вероятность ложных тревог при построении
изображений нагретых потоков СО2 в считанные миллисекунды. Было изготовлено 11
двухдиапазонных ФПУ формата 288х384 на подложке из GaSb размером три дюйма,
которые отличались высокой однородностью пикселов и малой ЭШРТ. Период пикселов
составлял 40 мкм, но мог быть уменьшен до 30 мкм. Температура охлаждения равнялась
77 К. Первые приемники на сверхрешетках строились на основе короткопериодных
структур InAs/GaSb. Они позволяли одновременно принимать излучение в двух
спектральных каналах внутри диапзона 3…5 мкм. При температуре охлаждения 78 К и
времени накопления 0,2 мс ЭШРТ таких ФПУ составила 25,9 мК в спектральном канале
3…4 мкм и 14,3 мК в канале 4…5 мкм.
Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) совместно с Институтом
прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера еще в 2005-06 г.г. разработала
двухдиапазонные (3…4 и 4…5 мкм) СР-ФПУ формата 384 х 288 с периодом пикселов 40
мкм на базе InAs/GaSb со значениями ЭШРТ 12 мК в диапазоне 3…4 мкм и 22 мК в
диапазоне 4…5 мкм при диафрагменном числе К=2 и времени накопления tн= 2,8 мс.
Температура охлаждения приемников равнялась 77…85 К. В 2009 г. появилось сообщение
о разработке двухдиапазонных СР-ФПУ формата 384 х 288 пикселов со средними
значениями ЭШРТ 25,9 мК (для 3…4 мкм) и 14,3 мК (4…5 мкм) при охлаждении до 78 К
и времени накопления 0,2 мс [44].
В [44, 45] описывается технология изготовления двухдиапазонных СР-ФПУ
методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Была выбрана конструкция с вертикальным
расположением «спина к спине» двух фотодиодов на основе суперрешеток с контактным
слоем между ними. Толщина слоев коротковолновой структуры должна быть больше, чем
в длинноволновом канале для уменьшения перекрестных спектральных искажений.
Стандартная схема считывания этих ФПУ представляет собой мультиплексор на
КМОП-элементах с непосредственной инжекцией зарядов. Различие в интенсивности
фоновых потоков в рабочих спектральных диапазонах учитывается путем выбора
различных режимов накопления зарядов и независимого управления временами
накопления. Для адаптации к изменениям яркости наблюдаемой сцены предусмотрена
возможность выбора двух режимов усиления – высокого и низкого. Матрица работает в
режиме мгновенной съемки, т.е. сначала происходит накопление, а затем одновременное
- 53 считывание сигналов обоих рабочих диапазонов. Схема считывания имеет восемь
выходов, каждый из которых работает на максимальной частоте 10 МГц. Для каждого
спектрального канала имеются четыре выхода. Схема может запускаться внешним
кадровым синхросигналом с частотой до 100 Гц для времени накопления менее 6 мс. Для
более высоких частот кадров предусмотрено программирование окон в кадре.
В качестве системы охлаждения может использоваться стандартный модуль
компании AIM Infrarot-Module GmbH SL150 мощностью 1,5 Вт или SL100 мощностью 1
Вт. Компания разработала также новый модуль SF100, средняя наработка на отказ у
которого составляет 20000 ч и более.
В Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского
технологического института были созданы образцы СР-ФПУ с барьерными ИК
приемниками (BIRD) на базе соединений InAs/GaSb/ AlSb, в которых используются
униполярные барьеры, блокирующие только один какой-либо тип носителей [46].
Опытные образцы имели граничную длину волны 10 мкм и работали при температуре 77
К. Без применения просветляющего покрытия была достигнута чувствительность 1,5
А/Вт и плотность темнового тока 10 -5 А/см2 при напряжении питания 0,2 В. Для
температуры фона 300 К значение D* составило 2,6·1010 Вт-1Гц1/2см.
В [47, 48] обсуждаются вопросы разработки СР-ФПУ на основе InAs/(In,Ga)Sb,
которые могут быть использованы для работы в средневолновом и длинноволновом ИКдиапазонах. Переключение диапазонов достигается изменением напряжения смещения на
малую величину (около 0,1 В) и его полярности. Образцы СР-ФПУ формата 320 х 256 при
температуре охлаждения 77 К имели ЭШРТ порядка 24 мК (при К=4 и tн =16,3 мс),
удельную обнаружительную способность D*=6,4 ·1011 Вт-1·см·Гц1/2 и чувствительность
1,5 А·Вт-1. Значения λгр в рабочих спектральных диапазонах равнялись 3,5 и 8,0 мкм.
Поскольку создание крупноформатных СР-ФПУ затруднено из-за ограниченных
размеров подложек из GaSb (до 2…3-х дюймов), их высокой стоимости, а также
значительного поглощения ими ИК-излучения, в последнее время привлекает внимание
разработка СР-ФПУ на подложках из более дешевого и лучше освоенного в электронной
промышленности материала – GaAs. Подложки из GaAs имеют размеры до 6 дюймов и
лучше пропускают ИК-излучение. В [49] указывается, что оптические и электрические
характеристики опытных образцов СР-ФПУ на подложках из GaAs соответствуют
характеристикам СР-ФПУ на подложках из GaSb.
4.5. ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона
Матричные ФПУ ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона на базе
InGaSb и InGaAs неоднократно предлагались для использования в ИКС, работающих
комбинированным (активно-пассивным) методом. Активный канал, работающий на
безопасных для глаза длинах волн, может использоваться для приема отраженного от цели
излучения лазера, и при стробировании по дальности возможно увеличить дальность
обнаружения и распознавания различных целей, как это имеет место в лидарах.
Разработка миниатюрных неохлаждаемых InGaAs-матриц рассматривается как путь
замены электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в приборах ночного видения.
Учитывая малые габариты, массу и энергопотребление (менее 5 Вт) подобных
ФПУ и камер на их основе, можно ожидать их широкого применения в комбинированных
(комплексированных) ИКС, работающих в двух или более участках ИК спектра.
Разделение всего рабочего участка спектра на отдельные спектральные диапазоны
возможно с помощью узкополосных оптических фильтров.
В настоящее время во многих ИКС, работающих в ближневолновом ИК-диапазоне,
используются матричные фотоприемные устройства (МФПУ) на базе InxGa1-xAs. Для них
достигнута хорошая обнаружительная способность и низкий уровень шума.
- 54 Для работы в коротковолновом ИК-диапазоне (1,0…2,5 мкм) часто предлагается
использовать фотодиодные ФПУ на базе InGaAs/GaAsSb типа II, выращенные на
подложке из InP. Эти ФПУ используются в беспилотных летательных аппаратах, ручном
стрелковом вооружении, разведывательной и другой аппаратуре. Кроме того, такие ФПУ
применяются для обнаружения лазерного излучения, как собственного при работе
активным методом, так и создаваемого противником.
Системы с InGaAs-ФПУ чувствительны к ИК излучению с длинами волн до 1,7 мкм
(при x = 0,53) и до 2,5 мкм (при x = 0,8), где велико излучение вспышек выстрелов,
детонаций, факелов ракет, а также имеет место ночное свечение атмосферы, вызванное
ионизацией в верхних ее слоях и обеспечивающее работу ИКС в безлунную ночь. Малая
инерционность
InGaAs-фотодиодов позволяет регистрировать быстропротекающие
процессы, например, при быстром взаимном перемещении носителя ФПУ и
просматриваемой сцены. Эти системы имеют малые темновые токи и не требуют поэтому
криогенного охлаждения; они работают с термоэлектрическими охладителями,
необходимыми для проведения коррекции неоднородности чувствительности и темновых
токов отдельных пикселов.
Компания Goodrich ISR Systems (прежде Sensors Unlimited, Inc.) разрабатывает ИКС
с InGaAs-ФПУ, начиная с начала 1990-х г.г. Спонсируемая DARPA, компания к
настоящему времени создала на основе InGaAs-ФПУ формата 640 х 512 пикселов
систему SU640KTSX с массой менее 100 г, частотой кадров 60 Гц и разрядностью
видеовыхода 12 или 14 бит [50]. В этой системе имеется блок двухточечной коррекции
неоднородности, автоматическая регулировка усиления, блок улучшения изображения и
форматирования видеовыхода. Термоэлектрический охладитель используется для
стабилизации ФПУ при одном значении температуры – 18 или 23оС. Аналого-цифровые
преобразователи интегрированы в схему накопления и считывания, что обеспечивает
небольшие размеры, массу и энергопотребление ФПУ. Так, общая потребляемая
мощность составляет менее 1 Вт.
Камера SU640KTSX использует формат 640 х 512 и имеет массу менее 100 г. В
камере
осуществляется
стабилизация
рабочей
температуры
с
помощью
термоэлектрического охладителя на основе эффекта Пельтье и одноточечная коррекция
неоднородности отдельных пикселов в диапазоне 18о…23о C, а также автоматический
контроль коэффициентов усиления.
Как пример разработок ФПУ на базе InGaAs/InP - фотодиодов, чувствительных в
диапазоне 0,4…1,7 мкм, с кремниевой интегрированной схемой считывания можно
привести матрицу формата 1280х1024 с размером пикселов 20 мкм фирмы Goodrich (ранее
Sensors Unlimited, Inc – SUI), а также разработку той же фирмы ФПУ такого же формата с
шагом пикселов 15 мкм. У последней схема считывания может работать на частоте кадров
120 Гц и имеет динамический диапазон 3000:1 в режиме непрерывного накопления [52].
Для работы в том же диапазоне (до 1,6 мкм) рассматривается возможность
использования недорогих неохлаждаемых ФПУ на базе SiGe [51]. Применяемая при их
изготовлении кремниевая технология хорошо отработана. Она обеспечивает малые
размеры пикселов и совместимость с кремниевыми схемами считывания и обработки
сигналов. Компанией Magnolia Optical Technologies Inc. разработаны монолитные
матричные ФПУ формата 128 х 128, чувствительные в видимом и ближневолновом ИК
диапазонах (от 0,4 до 1,65 мкм) с шагом пикселов 10 мкм. В этих матрицах кремниевые
фотодиоды стандартного КМОП-фотоприемника заменены германиевыми фотодиодами.
4.6. Перспективные охлаждающие устройства ФПУ [53-58]
К охлаждающим устройствам (ОУ), обеспечивающим низкую рабочую
температуру ФПУ в ИКС различного назначения, предъявляются специфические
- 55 требования. Для портативных ИКС, применяемых, например, в стрелковом вооружении
или в космической аппаратуре, требуются ОУ с наивысшей эффективностью,
оцениваемой холодильным коэффициентом или термодинамическим КПД – отношением
холодопроизводительности к потребляемой мощности, а также с малыми габаритами и
массой. Для систем с большим сроком непрерывной работы, например ИКС пограничного
наблюдения, обязателен большой срок наработки на отказ. Практически во всех случаях
необходима высокая надежность ОУ.
Правительством США принята программа по развитию технологии производства
ИКС 3-го поколения с криостатом и холодильником – 3-rd Generation Infrared Integrated
Dewar Cooler Assemblies (IDCA) Manufacturing Technology (MANTECH) Program, задачей
которой является снижение стоимости компонентов системы и ее сборки на 39% из
расчета производства 4600 изделий в течение 12 лет. Программа рассчитана на 3 года и
предусматривает
разработку
двухдиапазонного
матричного
приемника
для
средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов и механизма изменения размера
охлаждаемой диафрагмы, размещаемой перед фоточувствительным слоем ФПУ.
Как известно, одним из недостатков высокочувствительных фотоэлектронных
приемников излучения является необходимость снабжать их криогенными
охлаждающими устройствами, что увеличивает стоимость, массу, габариты и
энергопотребление всей ИКС, ограничивает срок службы системы, увеличивает шумы и
вибрации. В связи с этим все большее распространение в ИКС нового поколения находят
импульсно-трубочные криогенные устройства с линейным перемещением регенератора.
Такие устройства, хотя и уступают устройствам с вращающимся компрессором в
габаритах, массе и потребляемой мощности, однако более удобны в размещении, создают
меньший акустический шум и вибрации, а главное, имеют гораздо больший срок
безотказной работы. В этих устройствах уменьшение объема и гидравлического диаметра
регенератора, а также увеличение среднего давления позволяет обеспечить высокую
эффективность работы криогенных устройств. В экспериментах, описанных в [53],
хорошая эффективность достигалась при частотах импульсов 100…140 Гц. Увеличение
рабочего давления и рабочих частот вело к заметному уменьшению времени выхода на
нужную температуру и сокращению габаритов системы охлаждения. Это потребовало
разработать специальный компрессор и довести диаметр выходного отверстия
регенератора до 30 мкм и менее.
Миниатюрное импульсно-трубочное криогенное устройство обеспечивает
температуру 80 К и частоту 150 Гц при среднем давлении 5 МПа. Диаметр и длина
регенератора были равны 4,4 мм и 27 мм соответственно. Наименьшая достигнутая
температура равнялась 97 К, но при мощности рефрижератора 530 мВт она составила 120
К. Время установления температуры 80 К составило 5,5 мин.
Компания Ricor разработала криогенное устройство, работающее на частотах до 200
Гц и обеспечивающее температуру 95 К при хладопроизводительности 1 Вт, в котором
используется поршневой компрессор с подшипниками на подвижных магнитах и
пневматически управляемый расширитель, соединенные между собой гибкой связью [54].
Испытания криогенных устройств фирмы Thales Cryogenics с гибкими
подшипниками показали, что срок их безотказной работы составляет десятки тысяч часов
– от 30150 ч (LSF9188) до 69450 ч (LPT9110). Меньший срок службы имели устройства с
подвижными индукционными катушками – от 17955 ч до 40322 ч (UP7080).
В связи с постоянным стремлением удешевить систему охлаждения ФПУ, снизить ее
стоимость и массу, увеличить срок службы и избежать применения движущихся деталей
не пропадает интерес к термоэлектрическим охладителям. Сегодня лучшие из них,
имеющие четыре ступени охлаждения, обеспечивают перепад температур порядка 110 К.
Как указывается в [56], с их помощью для ФПУ на базе КРТ удается обеспечить рабочую
- 56 температуру 210 К и получить ЭШРТ порядка 30 мК при диафрагменном числе объектива
К=2.
Компания Raytheon Vision Systems в соответствии с этой программой
разрабатывает модуль системы охлаждения для двухдиапазонных ИК-систем переднего
обзора (SADA – Standard Advanced Dewar Assembly), в котором в едином охлаждаемом
объеме размещаются ФПУ высокого разрешения формата 640 х 488 или 1280 х 720
пикселов размером 20 мкм; охлаждаемая диафрагма, размер которой может изменяться в
два раза; высокоэффективный охладитель ФПУ и малогабаритный электронный блок,
управляющий работой ФПУ, механизмом изменения размера охлаждаемой диафрагмы,
аналого-цифровым преобразователем видеосигнала на выходе ФПУ, двухточечной
системой коррекции неоднородности пикселов ФПУ в обоих рабочих спектральных
диапазонах. Габариты электронного блока, размещаемого в охлаждаемом объеме,
составляют примерно 120 х 57 х 44 мм3. Общая масса разрабатываемого модуля равна 1,8
кг [57].
Наиболее распространенными сегодня являются ОУ, работающие по циклу
Стирлинга, а также ротационные (вращающиеся) охладители. Последние обеспечивают
холодопроизводительность порядка 0,5…1,0 Вт на 1 кг охлаждаемой массы. Для тех
применений, где необходим срок службы, выходящий за пределы возможностей
ротационных ОУ, обычно используются охладители Стирлинга различных размеров,
обеспечивающие мощность охлаждения от 0,6 до 8 Вт при рабочей температуре
охлаждения порядка 80 К [52]. Замена ротационных ОУ на разветвляющиеся линейные
позволяет снизить вибрации на выходе, что важно для улучшения качества изображения, а
также для увеличения срока наработки на отказ. В [58] сообщается, что такая замена
позволила увеличить этот срок с 1000 час до 4000 час.
В линейных ОУ срок службы ограничивается износом поршня компрессора и
загрязнением рабочего газа. Увеличение зазора между поршнем и цилиндром,
повышающее надежность ОУ за счет уменьшения износа поршня, ведет к увеличению
потребляемой мощности.
В линейных ОУ, работающих по циклу Стирлинга, используются либо подвижная
катушка, либо подвижный магнит. В [52] указывается, что микроминиатюрные линейноразветвленные охладители Стирлинга фирмы THALES Cryogenics с подвижной катушкой
имеют компрессор диаметром 35 мм с длиной 110 мм, массой 0,47 кг. Они обеспечивают
мощность охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Ожидается, что срок таких ОУ
достигнет в ближайшее время 15 тыс. часов.
Поскольку катушка является основным источником загрязнения рабочего газа, что,
в свою очередь, уменьшает срок службы ОУ, конструкция с подвижным магнитом имеет
преимущества перед ОУ с подвижной катушкой. Кроме того, в этой конструкции нет
электрических переходных соединений или вибрирующих проводов, которые нуждаются
в точной регулировке для предупреждения колебаний во время работы ОУ.
Ряд зарубежных фирм успешно разрабатывает новое поколение ОУ с
улучшенными параметрами и характеристиками – устройства с изогнутыми
подшипниками и импульсно-трубочными хладопроводами (рис.4.9 и 4.10). Изогнутые
подшипники поддерживают движущийся поршень в центре цилиндра, т.е. предотвращают
механический контакт и износ при зазоре порядка 1 мкм. Это увеличивает срок службы
ОУ вдвое.
- 57 -
Рис.4.9. Конструкция ОУ с подвижным магнитом и изогнутыми подшипниками
Охладители Стирлинга с подвижным магнитом фирмы THALES Cryogenics имеют
компрессор диаметром 44 мм с длиной 140 мм, массой 1 кг и обеспечивают мощность
охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Срок службы таких ОУ с изогнутыми
подшипниками достигнет в ближайшее время 30 тыс. часов [52]. В аналогичной
конструкции компании AIM Infrarot – Module Gmbh этот срок достиг 20 тыс. часов [58].
Рис.4.10. Охлаждающее устройство с импульсно-трубочным хладопроводом
Наиболее ощутимые преимущества перед ОУ, работающими по циклу Стирлинга,
имеют ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом, обладающим очень большой
надежностью. Полное отсутствие движущихся механических деталей позволяет устранить
выходные вибрации на холодном наконечнике – выходе ОУ.
Отсутствие истирания и износа рабочего поршня и расширителя приводит к
увеличению потребления энергии, а также снижает загрязнение рабочего газа. За этот
счет срок службы ОУ увеличивается до 50 тыс. часов. При потребляемой мощности 80 Вт
и температуре охлаждения 80 К разработки компании AIM Infrarot – Module Gmbh
обеспечивают тепловую нагрузку 0,5 Вт при окружающей температуре 65 оС (рис.4.10).
Зависимость тепловой нагрузки от потребляемой мощности для различных значений
окружающей температуры приведена на рис.4.11 [58], а на рис. 4.12 и 4.13 приведены
- 58 -
Тепловая нагрузка, Вт
зависимости тепловой нагрузки (мощности охлаждения) от температуры холодного
наконечника ОУ марки LPT9710 при различных потребляемых мощностях и мощности
охлаждения хладопровода марки LSF9330, управляемого компрессором LPT9710 от
температуры наконечника при различных потребляемых мощностях.
Потребляемая мощность, Вт
Рис.4.11. Зависимость тепловой нагрузки импульсно-трубчатого охладителя
SL400 от потребляемой мощности при температуре охлаждения 77 К для различных
значений окружающей температуры
Тепловая нагрузка, Вт
Вт
Вт
Вт
Вт
Температура холодного наконечника, K
Рис.4.12. Зависимость тепловой нагрузки от требуемой температуры холодного
наконечника ОУ марки LPI 9710 для различных потребляемых мощностей
- 59 -
Вт
Вт
Вт
Тепловая нагрузка, Вт
Вт
Вт
Вт
Температура холодного наконечника, K
Рис.4.13. Тепловая нагрузка хладопровода LSF 9330, управляемого компрессором
9710, как функция температуры холодного наконечника при различных величинах
электрической потребляемой мощности.
Охладитель с импульсно-трубчатым хладопроводом (ОИТ) со сроком службы
более 30 тыс. ч был использован фирмой AIM Infrarot – Module Gmbh (Германия) для
непрерывной работы в тепловизионных системах обнаружения орудийного огня.
Предполагается, что такие охладители могут заменить широко применяющиеся в
настоящее время охлаждающие устройства с циклом Стирлинга. Фирма разработала
многодиапазонный (гиперспектральный) датчик формата 1024х256 пикселов размерами
24х32 мкм, использующий систему охлаждения с ОИТ [58]. Для охлаждающей мощности
1 Вт при температуре окружающей среды + 60˚С и температуре охлаждения приемника 80
К требуется входная мощность компрессора с ОИТ порядка 60 Вт.
Следует указать, что современные ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом
имеют увеличенные габариты, не позволяющие пока использовать их в ИКС 3- го
поколения. Нужно также отметить, что пока всё еще мал к.п.д. ОИТ, особенно при
высокой температуре окружающей среды и низкой рабочей температуре охлаждения
приемника излучения. Кроме того, требуется очень тщательное согласование
существующих типов дьюаров и конструкции ОИТ, т.е. подгонка ОИТ под существующие
зазоры дьюара по диаметру и длине.
4.7. Преобразователи ИК сигналов в видимые
Задача преобразования ИК изображений в видимые с помощью малогабаритных
полупроводниковых устройств становится все более актуальной для многих практических
применений.
Корпорация Sirica (Израиль) разработала пленочный преобразователь
длинноволнового ИК-излучения в видимое (или ближневолновое ИК), позволяющий
создать дешевый высококачественный приемник, не требующий охлаждения и
размещения в вакуумированном корпусе [59].
Корпорация разрабатывает интегрированную конструкцию, объединяющую такие
элементы приемника как преобразователь в виде пленки, источник накачки, дихроичный
фильтр и кремниевый датчик изображения на КМОП-структуре. Преобразователь состоит
из кластера очень малых частиц кремния (мезоскопического размера), которые являются
центрами поглощения длинноволнового ИК-излучения; кластера малых кремниевых
частиц – центров излучения в видимом и ближневолновом ИК-диапазоне и связывающей
- 60 эти кластеры матрицы, изготовленной из аморфного кремниевого компаунда, создающего
свободные носители для связи кластеров.
Процесс преобразования излучения в такой структуре в такой структуре можно
разбить на несколько этапов:
1. Источник накачки, создающий излучение в видимом или ближневолновом ИКдиапазоне, формирует устойчивое неравновесное распределение свободных носителей
внутри кремниевых кластеров, которое характеризуется узким высокоэнергетическим
концом спектра, т.е. низкой эффективной температурой, что позволяет работать без
охлаждения. Средняя кинетическая энергия свободных носителей больше, чем тепловая
энергия, а разность между средней энергией свободных носителей и высотой
естественного барьера между кремниевыми кластерами и материалом матрицы
становится барьером для ИК-фотоэмиссии.
2. Фотоны ИК-излучения, падающие на пленочный преобразователь, поглощаются
свободными носителями в мезоскопическом кремниевом кластере, стимулируя эмиссию
носителей через барьер в материале матрицы. Закон поглощения ИК-излучения
возбужденными свободными носителями близок к квадратичной зависимости от длины
волны излучения.
3. Свободные носители в материале матрицы затем рекомбинируют во втором
кремниевом кластере, создавая фотоны видимого/ближневолнового ИК излучения.
Последнее может приниматься обычными датчиками изображения на КМОП-структурах.
В соответствии с этим процессом основными узлами преобразователя являются:
1. преобразующий слой; 2. источник накачки; 3. оптическая схема связи входного
слоя и датчика изображения; 4. фильтр, отсекающий излучение источника накачки; 5.
датчик изображения. Общий коэффициент преобразователя равен произведению
коэффициентов преобразования этих узлов.
Источник накачки выбирается таким, чтобы создавать требуемый для
эффективного преобразования длинноволнового ИК-излучения в видимое или
ближневолновое ИК поток фотонов и обеспечить однородность его распределения по
площади слоев преобразователя. Неоднородность этого распределения должна быть
скорректирована с помощью соответствующего алгоритма.
В отличие от обычного кремния, который очень слабо излучает, кремниевые
нанокристаллы малого размера являются хорошими источниками видимого излучения
даже при комнатной температуре. Изменяя размеры нанокристаллов, можно управлять
светоотдачей и длиной волны излучения. Из-за редукции размеров ширина разрешенной
зоны нанокластера увеличивается. Поэтому необходим сдвиг излучения накачки в
голубую часть спектра. Изменения в структуре запрещенной зоны вызывают рост
вероятности рекомбинации носителей в кремниевом нанокластере и, следовательно,
увеличение эффективности люминесценции.
При надлежащем подборе характеристик источника накачки шумы элементов
преобразователя становятся пренебрежимо малыми, и отношение сигнал-шум на выходе
преобразователя определяется только радиационным шумом фона.
Отношение
сигнал-шум
при
комнатной
температуре
ограничивается
радиационным шумом фона. Этот шум после первичного преобразования может вызвать
заметный дробовый шум в пикселах датчика изображения. Так как сигнал
пропорционален коэффициенту преобразования, дробовый шум пропорционален его
корню квадратному, а отношение сигнал-шум на выходе преобразователя растет с
увеличением этого коэффициента.
В [59] описывается технология создания нанокластеров заданного размера и
требуемой плотности. Предполагается, что формат КМОП-ФПУ составит 320х240
пикселов размером 25 мкм. Для этого ФПУ необходима высокая квантовая
- 61 эффективность, возможность перестраивать схему считывания, высокая кадровая частота.
Всемb этим свойствами обладают современные КМОП-структуры.
Ожидается, что при значениях коэффициентов преобразования порядка 10 -4 можно
будет
обеспечить
величину
ЭШРТ,
аналогичную
ЭШРТ
неохлаждаемых
микроболометров, т.е. порядка 50 мК при частоте кадров 30 Гц.
4.8. Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ
Неохлаждаемые ФПУ на базе микроболометров продолжают заметно
совершенствоваться в последнее десятилетие [2, 3, 60, 63 и др.]. В ИКС 3-го поколения
они используются либо в отдельном спектральном канале – обычно в длинноволновой
ИК-области, либо обеспечивают работу в двух сравнительно узких полосах спектра,
находящихся внутри длинноволнового ИК-диапазона (8…14 мкм). Выделение этих узких
полос осуществляется с помощью оптических фильтров.
Продолжающееся уменьшение размеров пикселов микроболометров привело к
увеличению формата матриц и повышению быстродействия ИКС при сохранении
высокой чувствительности. В США по программам, финансируемым Агенством по
перспективным оборонным исследованиям DARPA (Defence Advanced Research Project
Agency) и Директоратом по ночному видению и электронным датчикам NVESD (Night
Vision and Electronic Sensors Directorate), разрабатываются микроболометрические
матрицы форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с размерами пикселов 17 мкм, с
преобразованием «аналог-цифра» внутри чипа ФПУ, значительно увеличенным
динамическим диапазоном и заметным уменьшением тепловой постоянной времени за
счет уменьшения толщины ФПУ.
Уменьшение размеров пикселов помимо увеличения разрешающей способности
позволяет уменьшить размеры и массу всей системы, а также дает возможность
изготавливать крупноформатные матрицы без нарушения эксплуатационных размеров
фотолитографических систем, используемых при изготовлении матриц.
За счет уменьшения размеров ФПУ такие матрицы весьма перспективны для ИКС
стрелкового вооружения, нашлемных систем, а также беспилотных летательных
аппаратов.
Сегодня крупноформатные микроболометрические ФПУ с размером пикселов
менее 25 мкм и ЭШРТ менее 30…50 мК производятся рядом компаний. Так, в [60]
описано ФПУ формата 384х288 с размером пиксела 35 мкм и ЭШРТ порядка 30 мК (при
диафрагменном числе К=1, температуре фона Тф=300 К, частоте кадров fк=60 Гц и
постоянной времени τи=7,7 мс). В таком же корпусе изготавливаются микроболометры
формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм, имеющие примерно ту же ЭШРТ.
Неоднородность сопротивлений отдельных пикселов не превышает 2,2% (без применения
схемы коррекции неоднородности).
Компания Raytheon Vision Systems (RVS) сообщила о разработке микроболометров
SB-246 формата 640 х 480 с периодом пикселов 25 мкм и площадью чувствительного слоя
пиксела 17 х 17 мкм, а также матриц SB-400 формата 640 х 512 с периодом пикселов 17
мкм [61]. У последних ЭШРТ не превышала 50 мК при диафрагменном числе К=1 и
частоте кадров 30 Гц. Переход к ФПУ с размером пикселов вдвое меньшим, чем в ранее
выпускавшихся матрицах, позволяет уменьшить диаметр входного зрачка и фокусное
расстояние объектива ИКС в два раза при сохранении прежнего разрешения. При этом
примерно в 8 раз уменьшается общий объем оптической системы ИКС. Компания активно
работает над созданием «атермализованных» микроболометрических ФПУ, т.е. матриц
без термостабилизации, в которых осуществляется динамическая цифровая коррекция в
цепи питания каждого пиксела.
- 62 Продолжаются разработки, направленные на создание неохлаждаемых приемников
с пороговыми значениями их параметров. Уменьшение размеров пикселов
микроболометров приближается к своему пределу. Почти все перспективные разработки
тепловизионных систем с неохлаждаемыми приемниками, ведущихся компаниями BAE
Systems, Vectronix, DRS, Raytheon Vision Systems, Ulis, L-3 Infrared Products, FLIR Systems
осуществляются на базе микроболометров с размерами пикселов 17 мкм [6]. Форматы уже
разработанных или разрабатываемых ФПУ равны 640 х 480 и 1024 х 768, а ЭШРТ
составляет 45 мК или несколько менее. В настоящее время Директорат ночного видения
и электронных датчиков Армии США (NVESD) финансирует исследования и разработки,
имеющие целью довести размеры пикселов микроболометров до 12 мкм. Ожидается, что
две компании будут способны создать микроболометрические матрицы формата
1920х1080 со сверхмалыми пикселами [6].
Фирма L-3 Communications Infrared Products (L-3IP) продолжает разработку
микроболометров на базе α-Si/α -SiGe форматов 320 х 240, 640 х 480 и 1024 х 768 с
размерами пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 50 мК в спектральном диапазоне 8…12 мкм и
тепловой постоянной времени около 10 мс [63]. Схема элементарной ячейки
мультиплексора, используемая в этих матрицах, сочетает в себе вычитание
внутрипиксельного тока смещения и переключаемый емкостной фильтр-интегрирующий
усилитель. При этом эквивалентная шуму разность температур (ЭШРТ) не зависит от
частоты кадров, что очень важно для ИКС, предназначенных для обнаружения быстро
движущихся объектов или установленных на подвижных основаниях. Последние
разработки L-3IP обеспечивают работу в диапазоне окружающих температур от -40о до
+60оС без использования активной тепловой стабилизации. В матрице, работающей с
частотой кадров 25 Гц, используются два аналоговых выхода. Высока её однородность –
отношение среднего квадратического отклонения чувствительности отдельных пикселов к
их среднему значению не превышает 0,017; выход годных пикселов превышает 99,99%
[62].
Компания ВАЕ Systems сообщила о разработке микроболометрической матрицы на
основе окиси ванадия VOх формата 640х480 с шагом пикселов 17 мкм. В диапазоне 8…12
мкм получены значения ЭШРТ менее 100 мК при времени накопления зарядов tн = 5 мс.
При tн = 10…15 мс (частоте кадров 30 Гц) ЭШРТ уменьшается до 50 мК для
диафрагменного числа объектива порядка К=1,0…1,4. Зависимость ЭШРТ от tн имеет вид
1/ tн -0,855.
Компания CEA-LETI при поддержки фирмы ULIS в 2009 году создала
микроболометр формата 640 х 480 с шагом пикселов 25 мкм, а также продолжает
разрабатывать матрицу формата 1024 х 768 на базе аморфного кремния с периодом
пикселов 17 мкм, ЭШРТ менее 40 мК, динамическим диапазоном температур порядка
110…120оК.
В [64] описываются ФПУ на основе КНД-диодов (кремний на диэлектрике),
работающие без внешнего охлаждения. В отличие от широко используемых схем на
микроболометрах в таких ФПУ в качестве датчиков температуры используются p-nпереходы в слое кремния на диэлектрике. Применение хорошо освоенной технологии
кремниевых интегральных схем обеспечивает очень высокую однородность матриц и
низкий уровень шума.
При падении излучения на пикселы матрицы КНД-диодов происходит изменение
их температуры, которое приводит к прямому падению напряжения на цепочке
последовательно включенных диодов. Это напряжение усиливается и интегрируется
(рис.4.14). Из-за изменения значения падения напряжения на цепочке последовательно
включенных диодов изменяется постоянная составляющая выходных сигналов.
- 63 -
ГСД
В/Х
В/Х
Выход ФПУ
В/Х
В/Х
Синхроимпульс
ДИ
В/Х
Напряжение
приложенное к
холостой шине
ХГШ
БК
ВСД
ФНЧ
ОУ
ОП
ФП
ВШ
ФНЧ
ГШ
КФ
Рис. 4.14. Принципиальная схема неохлаждаемого матричного ФПУ на КНД-диодах: ВСД
– вертикальный сдвиговый регистр, ГСД – горизонтальный сдвиговый регистр, КФ –
кристалл ФПУ, ФП – фотоприемный пиксел на КНД-диодах, ВШ – вертикальная шина,
ГШ – горизонтальная шина, ВХ – схема выборки и хранения, ДИ – дифференциальный
интегратор, ХГШ – «холостая» горизонтальная шина, ОП – опорный пиксел, ОУ –
операционный усилитель, ФНЧ – фильтр нижних частот
В традиционных схемах считывания с интеграторами, управляемыми затворами,
имеет место падение напряжения вдоль горизонтальных шин. Поэтому при увеличении
коэффициента усиления интегратора для минимизации влияния шумов последующих
каскадов из-за этого падения может возникнуть насыщение выходного сигнала матрицы.
В схеме с КНД-диодами используются дифференциальные интеграторы и «холостая»
шина, подключенная к неинвертирующим входам интеграторов. Холостая шина питается
от отдельного источника напряжения. Падение напряжение вдоль нее такое же, что и у
основной шины. Дифференциальные усилители интеграторов позволяют компенсировать
эффект смещения постоянной составляющей выходных сигналов ФПУ при считывании
вдоль строк. Благодаря этому возможно увеличить усиление интеграторов, что позволяет
снизить влияние шумов последующих каскадов.
- 64 Для отслеживания окружающей температуры предназначены «опорные» пикселы,
не имеющие тепловой изоляции и сформированные в виде столбца справа от основных
пикселов. Выходной сигнал опорных пикселов зависит только от окружающей
температуры, тогда как сигнал с основных пикселов зависит как от уровня их
облученности, так и от окружающей температуры. Создаваемый опорными пикселами
уровень постоянной составляющей сигналов, снимаемых с фоточувствительных пикселов
ФПУ, выделяется с помощью дополнительной схемы выборки-хранения, вход которой
подключен к мультиплексированному выходу матрицы. Выборка дополнительной схемы
производится по синхроимпульсу, соответствующему моменту опроса столбца опорных
пикселов. Сигнал выборки поступает на один из входов дополнительного операционного
усилителя (ОУ), на второй вход которого подается постоянное напряжение. Выход ОУ
через каскады, находящиеся вне кристалла ФПУ (фильтр нижних частот ФНЧ, буферный
усилитель, второй ФНЧ), подключен к холостой шине и ко входам дифференциальных
интеграторов. Благодаря этому образуется цепь обратной связи, позволяющая
поддерживать стабильный уровень постоянной составляющей выходного сигнала
независимо от изменений окружающей температуры.
Испытания матриц формата 320 х 240 с шагом 25 мкм без тепловой изоляции
опорных пикселов показали их хорошую однородность без применения сложных схем
коррекции. Изменение постоянной составляющей сигнала не превосходило 920 мВ в
температурном диапазоне от -10о до 50оС. При использовании опорных пикселов с
тепловой изоляцией, закрытых для внешнего излучения, нестабильность уровня
постоянной составляющей выходного сигнала оказалась менее 80 мВ. Значение ЭШРТ
при относительном отверстии 1:1 объектива, использовавшегося при испытаниях, и
частоте кадров 60 Гц составило 32 мК.
В последние годы появились сообщения о создании высокочувствительных
фотоприемников на основе полупроводниковых полимерных структур (полимерных
фотоприемников) и других тонкопленочных структур, работающих при комнатной
температуре в спектральном диапазоне 0,3…1,45 мкм [4]. Удельная обнаружительная
способность этих приемников может достигать 1013 Вт-1Гц1/2см в УФ-диапазоне и более
1012 Вт-1Гц1/2см в диапазоне 1,15…1,45 мкм, а линейный динамический диапазон
чувствительности превышает 100 дБ.
4.9. Оптическое считывание – один из путей совершенствования неохлаждаемых
приемников излучения
Известные достоинства неохлаждаемых тепловых многоэлементных приемников
излучения (МПИ) – микроболометров сопровождаются рядом недостатков,
ограничивающих круг применений этих приемников. К числу последних относится
наличие теплового шума Джонсона, избыточного токового 1/f-шума, а также
возникновение джоулева нагрева чувствительных элементов, проявляющегося в
появлении тока смещения измерительной схемы [4]. Кроме того, стремление повысить
геометрическое и энергетическое (температурное) разрешение ИКС, использующих
неохлаждаемые приемники излучения, повысить их пороговую чувствительность и
приблизить ее значения к величинам, характеризующим энергетическое разрешение
фотонных ФПУ, уменьшить их размеры, массу и потребляемую мощность, увеличить
быстродействие, наконец, снизить их стоимость стимулирует интерес к системам
визуализации ИК-изображений, в которых применяются оптические методы считывания
вместо обычных для микроболометров схем считывания и накопления зарядов,
возникающих в отдельных пикселах МПИ.
Представляет интерес схема, основанная на зависимости показателя преломления
чувствительного элемента – пиксела МПИ от его температуры (рис.4.15). Описание
- 65 механизма работы такого приемника с электрически управляемым оптическим
считыванием приводится в [65]. Чувствительным элементом приемника является
сегнетоэлектрический кристалл, в котором при приложении электрического поля
проявляется эффект двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления
зависит от температуры пиксела, которая определяется облученностью попадающей на
него части изображения просматриваемой сцены. Помещая пиксел в ход поляризованного
излучения лазера и регистрируя с помощью анализатора и помещенного за ним приемника
лазерного излучения мощность сигнала на выходе такой схемы считывания, можно
контролировать изменения облученности в изображении сцены.
Переключаемое
напряжение
Поляризатор
Лазер
Анализатор
Приемник
считывающего
лазерного излучения
Кристалл
(пиксел МПИ)
Падающее ИК-излучение
Рис.4.15. Устройство считывания с электрооптическим термочувствительным кристаллом
В схеме считывания выходная мощность Wвых падающего на приемник
поляризованного лазерного излучения определяется как
Wвых  Wвх τ sin 2 ,
где Wвх – поток, создаваемый лазером на входе схемы считывания; τ – коэффициент
пропускания системы считывания; φ - разность фаз, изменяющаяся при изменении
температуры кристалла на ΔТ, которая может быть представлена как:
2  d  n е - n о 


 ΔT ,
  T 
где d – длина кристалла в направлении распространения считывающего излучения,
λ – длина волны считывающего излучения,
ne и nо – показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волны
считывающего излучения, соответственно.
В оптическую схему входят также компенсатор фазы для калибровки смещения,
возникающего из-за сдвига фазы, вызванного различными факторами, и анализатор
поляризованного излучения.
Изменения Wвых могут наблюдаться в видимом диапазоне с помощью обычного
фотонного приемника лазерного излучения, работающего без охлаждения, например ПЗС.
В качестве материала сегнетоэлектрического кристалла может быть выбран
танталато-литиевый ниобат калия (KLTN), для которого при величине напряженности Е
электрического поля, приложенного к кристаллу, равной 3∙103 В/см, двулучепреломление
Δn= ne – nо = 6∙10-3. Это значение приблизительно на два порядка больше Δn такого
известного электрооптического материала как LiNbO3. При длине чувствительного
кристалла d=50 мкм, что близко к размерам пикселов МПИ, мощность Wвых при диапазоне
изменений ΔТ в 1К изменяется гораздо заметнее, чем сопротивление болометров, которое
при ΔТ=1К изменяется на несколько процентов.
- 66 Сегнетоэлектрические кристаллы могут быть выращены в виде тонких пленок на
кремниевой подложке. На поверхность кристалла наносится тонкий поглощающий
обнаруживаемое излучение слой. (В [65] предлагается на кристалл KLTN наносить слой
SiN.) В отличие от резистивных микроболометров не требуется выполнять этот слой из
изоляционного материала. При электрически проводящем слое его поглощающая
способность максимизируется, а теплоемкость минимизируется.
Схема работы столбца (строки) чувствительных элементов приведена на рис.4.16.
Считывающий луч проходит через столбец элементов, к которым поочередно
прикладывается напряжение.
Считывающее
излучение
Поляризатор
Чувствительный
элемент KLTN
Поглощающий
слой
Анализатор
Приемник
считывающего
излучения
Компенсатор
Рис.4.16. Схема работы столбца (строки) неохлаждаемых электрооптических
термочувствительных
элементов
ФПУ,
расположенных
как
периодически
сегментированный волновод с электрическим переключением каждого приемника
Схема работы двумерного ФПУ с лазерным считыванием приведена на рис.4.17.
Лазер располагается вне вакуумированного корпуса ФПУ. Его излучение с помощью
оптического волокна поступает на вход многомодового объемного резонатора в
интегральном исполнении, который распределяет входной поток на N выходов. С этих
выходов с помощью изогнутых оптических волокон (волноводов) потоки подводятся к N
столбцам элементов ФПУ. Параллельные пучки лучей проходят через М строк ФПУ и
поступают на одномерную матрицу ПЗС, считывающую выходные сигналы Wвых, т.е.
измеряющую температуры отдельных пикселов ФПУ формата МхN и выдающую
стандартный видеосигнал. Управляющий интерфейс (УИ) является, по существу,
декодером по вертикальной оси ФПУ и используется для смещения (подачи напряжения)
одновременно на одну из строк ФПУ. Выбирая достаточно большую длительность
переключающего импульса, можно усреднять шумы на выходе, возникающие в процессе
считывания. Поскольку кристаллы (пикселы) образуют емкостную нагрузку из-за их
очень большого сопротивления, рассеяние тепла, образующегося в схеме при считывании,
производится в УИ, а не внутри ФПУ, что заметно снижает мощность, потребляемую
термоэлектрическим охладителем, которым снабжается ФПУ. (На рис.4.17 охладитель не
показан.)
- 67 -
Граница вакуумного корпуса
ПЗС
Управляющая
электроника
Матрица
детекторов
Лазер
Многомодовый интерфейс
Изогнутые волноводы
Рис.4.17. Схема работы двумерного ФПУ с лазерным считыванием
Основными видами шума рассматриваемого ФПУ являются тепловой шум,
вызванный флуктуациями температуры приемника и шум схемы оптического считывания.
Величина эквивалентной шуму разности температур, определяемая первой из этих
составляющих, может быть рассчитана по формуле [1, 2]:
8 К 2 Т k G f
ΔТ п 
,


τ
β
A
α

Ф

Т
0
пи

где К – диафрагменное число объектива, строящего изображение на ФПУ,
Т – температура элемента ФПУ, k – постоянная Больцмана, G – коэффициент
теплопроводности, Δf – ширина полосы пропускания частот, τ0 – коэффициент
пропускания оптической системы (объектива), β – коэффициент заполнения пикселами
чувствительного слоя приемника, Апи – площадь чувствительного элемента МПИ, α –
коэффициент поглощения излучения чувствительным слоем МПИ, ΔФ/ΔТ – изменение
потока, испускаемого черным телом – аналогом наблюдаемого излучателя, на единицу
площади при температуре Т внутри спектрального рабочего диапазона Δλ.
При значениях ожидаемых параметров системы на базе KLTN, принятых в [65], а
именно:
G=1,6∙10-7 Вт/К и 5,5∙10-8 Вт/К для пикселов с шагом 50 мкм и 25 мкм,
соответственно, что соответствует тепловой постоянной времени 10 мс в общих случаях;
коэффициентах заполнения β=0,96 для пикселов с шагом 50 мкм и 0,92 для
пикселов с шагом 25 мкм;
α=0,8; τ0=0,9; Δf=25 Гц;
значения ΔФ/ΔТ, вычисленного для спектрального диапазона 8…12 мкм и
температуры 293 К, было получено температурное разрешение (ЭШРТ) ΔТп=5 мК для
шага пикселов 50 мкм и ΔТп=12 мК для шага пикселов 25 мкм.
Эти значения ΔТп могут быть улучшены за счет снижения теплоемкости пикселов
путем использования поглощающего слоя с лучшей проводимостью, например Au вместо
SiN, что увеличит α с одновременным уменьшением теплоемкости. Кроме того можно
уменьшить поперечное сечение волноводов, связывающих лазер с пикселами ФПУ.
Шумы схемы оптического считывания могут появиться из-за флуктуаций
интенсивности считывающего лазерного пучка лучей, а также из-за шума в ПЗС
считывания, который весьма невелик.
- 68 При сильном электрическом поле полный диапазон выходных сигналов
соответствует малому диапазону температур пикселов Т (порядка 1 К). При значительном
диапазоне Т возможно превышение фазового сдвига φ величины π, т.е. возникновение
фазовой неопределенности, приводящей к неоднозначности значений выходного сигнала
относительно Т. Для исключения такого положения возможно реализовать
дополнительное считывание с низкой разрешающей температурной способностью,
которое выполняется под воздействием небольшого электрического поля. Это позволяет
перекрыть считыванием большой интервал температур пикселов с однозначным их
соответствием выходным сигналам. Связав результаты основного и дополнительного
считывания, можно избавиться от фазовой неопределенности.
Стремление избавится от указанных в начале этого раздела недостатков
микроболометрических ФПУ, а также использовать для считывания сигналов с пикселов
ФПУ кремниевые интегральные схемы привело разработчиков компании Aegis
Semiconductor Inc. к предложению использовать термооптический эффект в
полупроводниках вместо преимущественно используемых в настоящее время в
микроболометрах терморезистивного или пироэлектрического эффектов [2]. В матричном
микроболометрическом приемнике, описанном в [66], термочувствительные элементы
преобразуют длинноволновое ИК-излучение в ближневолновое ИК-излучение.
В плоскости изображения, образованного в длинноволновой ИК-области,
располагается матрица тонкопленочных перестраиваемых фильтров-резонаторов,
настроенных на длины волн ближнего ИК-диапазона (рис.4.18). С помощью оптической
схемы считывания сигналы (потоки), создаваемые источником излучения этой схемы
(лазером) и прошедшие эти фильтры, принимаются стандартными фото-ПЗС или КМОП–
фотоприемниками.
Перестраиваемые фильтры представляют собой эталоны Фабри-Перо, в которых
резонансная полость выполняется из аморфного кремния с однородностью по толщине в
пределах 2% на пластинах диаметром до 100 мм. Отражательные многослойные зеркала
выполняются из аморфного кремния и нитридов кремния. Ширина полосы пропускания
фильтров составляет 0,15 нм.
Изменение пиковой длины волны фильтров при изменении показателя
преломления под воздействием меняющейся температуры, объясняемое уменьшением
ширины запрещенной зоны полупроводника при увеличении температуры, для полости из
аморфного кремния характеризуется высоким термооптическим коэффициентом dn/dT,
равным 2,3∙10-4/К при 300 К.
Коэффициент перестройки фильтра, определяемый как отношение смещения
пиковой длины волны спектральной характеристики к изменению температуры, в системе,
описанной в [66], в диапазоне температур 295…355 К составил 0,06 нм/К.
Основным элементом такой системы является матрица перестраиваемых фильтровпикселов, размещаемых на теплоизоляционных опорах, с другой стороны которых
имеется теплопроводная и прозрачная для ближневолнового ИК-излучения подложка
(рис.4.19). Формируемое объективом изображение в длинноволновом ИК-диапазоне
(входное) строится на матрице фильтров-пикселов. Из-за их нагрева происходит сдвиг
пиковых длин волн фильтров. Система считывания направляет на фильтры-пикселы
«считывающее» излучение ближневолнового ИК-диапазона с длиной волны, близкой к
пиковым длинам волн спектральных характеристик фильтров-пикселов. Коэффициент
пропускания фильтров зависит от их температур, поэтому на фотоприемной матрице (ПЗС
или КМОП), принимающей «считывающее» излучение, формируется изображение,
соответствующее нагреву фильтров-пикселов, т.е. входному изображению в
длинноволновом ИК-диапазоне.
- 69 -
Относительное пропускание, дБ
0
-2
295К
305К
317К
325К
335К
345К
355К
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
885
887
889
891
893
895
897
899
Длина волны, нм
Рис.4.18. Спектральное пропускание фильтра, настраиваемого на разные длины волн
Коэффициент перестройки тем выше, чем уже спектр «считывающего» излучения и
чем круче фронты спектральных характеристик этого излучения и пропускания фильтровпикселов.
Прозрачная для ближневолнового
ИК-излучения подложка
обеспечивает «тепловое»
заземление
Длинноволновое
ИК-излучение
«Считывающее» излучение,
поступающее на ПЗС/КМОП
«Считывающее» излучение в
ближневолновом ИК-диапазоне
Опора, обеспечивающая
необходимую тепловую изоляцию
Рис.4.19. Схема работы единичного пиксела ФПУ, установленного на теплоизоляционной
стойке, соединяющей его с прозрачной для ближневолнового ИК-излучения подложкой
Температурный коэффициент системы считывания, определяемый изменением
коэффициента пропускания пиксела, приходящимся на один градус изменения
температуры, составляет несколько десятков %/К, что гораздо выше температурных
коэффициентов сопротивления материалов традиционных микроболометров (порядка 3
%/К для оксидов ванадия и 1,5 %/К для аморфного кремния).
Важно, что в такой схеме отсутствуют проводниковые соединения со схемой
считывания, что снижает уровень шума и дает возможность увеличить коэффициент
заполнения ФПУ. В пикселе приемника используется лишь одна опора, а не две ножки,
как в терморезистивных микроболометрах, что позволяет получить коэффициент
заполнения ФПУ более 90 %.
Спектр «считывающего» излучения можно перестраивать в соответствии с
настройкой фильтров-пикселов в зависимости от окружающей температуры. Эти
процессы происходят одновременно, что позволяет отказаться от устройства контроля за
- 70 температурой окружающей среды без потери качества воспроизведения входного
изображения. Как отмечается в [66], технология изготовления таких микроболометров
существенно упрощается, по сравнению с технологией изготовления традиционных
терморезистивных микроболометрических ФПУ. Она совместима с кремниевыми
технологиями изготовления КМОП–интегральных схем. Процент годных пикселов
достигает в некоторых образцах 99,9.
Устройство макетного образца системы, разработанного компанией Aegis
Semiconductor Inc, показано на рис.4.20. Использовался объектив с диафрагменным
числом К=0,86. Источником «считывающего» излучения был светодиод с фильтром
ближневолнового ИК-излучения. Светоделитель, совмещающий длинноволновое и
ближневолновое ИК-излучение, имел пропускание 92 % в области спектра 8…15 мкм и
100 % - отражение в ближнем ИК-диапазоне. Частота кадров равнялась 22 Гц. Для ФПУ
формата 160х120 эквивалентная шуму разность температур ΔТп составляла 280..550 мК.
При этом отсутствовала какая-либо температурная стабилизация. Столь значительные
значения ΔТп авторы [66] объясняют несовершенством отдельных элементов макета
(неоднородностью теплового отклика пикселов ФПУ, неоднородностью распределения
шума в ПЗС/КМОП – матрицах системы считывания, несовершенством оптической
системы, недостаточным качеством программно-обеспечиваемой пространственной
фильтрацией изображения). Тем не менее авторы [66] весьма оптимистичны в оценке
описанной системы для производства дешевых тепловизоров многих гражданских
применений.
Объект
Светоделитель
Фильтры
фи фильтр
фильтов Объектив
переноса
переноса
Приемный
объектив
ПЗС/КМОП
Объектив
Длинноволновое
ИК-излучение
Ближневолновое излучение
(выходное изображение)
Ближневолновое
считывающее ИК-излучение
Рис.4.20. Устройство макетного образца тепловизионной камеры
В [67] описан принцип действия ОЭС визуализации ИК-изображений с оптической
схемой считывания сигналов, разработанных корпорацией Agiltron (рис.4.21).
О
ММБ
ФПУ
ФО1
ФО2
Д1
ИП
Д2
f
f
f
f
Рис.4.21. Схема работы системы визуализации ИК изображений
- 71 Объектив О строит ИК-изображение наблюдаемой сцены на входном слое
микромодульного блока ММБ – многоэлементном матричном приемнике ИК-излучения,
состоящем из большого числа пикселов, поглощающих излучение. На противоположной
стороне каждого пиксела размещается зеркальный отражающий слой, облучаемый
источником подсветки (ИП), например, как это указано в [67], светодиодом. При этом
поглощательная способность составляла около 0,6. При использовании металлического
поглощающего слоя и оптимальной толщины резонатора - промежутка между
поглощающим и зеркальным слоями (2,4 мкм) поглощение излучения составило 97%, а
при изменении этой толщины в пределах от 1,6 мкм до 3,2 мкм оно было не менее 90%.
Каждый пиксел имеет две пары двухслойных (биметаллических) ножек (рис.4.22). Одна
из ножек (консоль пиксела) в каждой паре изгибается в одну сторону при попадании
«внешнего» ИК-излучения на пиксел, а вторая, точно такая же по форме и размерам, но с
противоположным расположением слоев, связанная с первой ножкой через
теплоизолятор, изгибается в обратную сторону, т.е. служит компенсатором изгиба пиксела
из-за изменения температуры окружающей ФПУ среды.
Теплоизолятор
Поглощающий слой
Место закрепления
консоли пиксела
Рис.4.22. Конструкция одного пиксела системы визуализации ИК изображений
В зависимости от локального нагрева, т.е. от энергии, поглощаемой пикселом,
каждый пиксел поворачивается на некоторый угол ΔΘ, вызывающий изменение хода
лучей, поступающих на пиксел от ИП. Источник подсветки направляет лучи через
малоразмерную диафрагму Д1 на зеркальные поверхности пикселов через Фурье-объектив
(ФО1), у которого в передней фокальной плоскости размещается Д1, а в задней фокальной
плоскости – зеркальный слой ФПУ. Фурье-изображение Д1 в идеальном случае
представляет собой яркое пятно. Отраженное излучение проходит через диафрагму Д 2 и
поступает на второй Фурье-объектив ФО2, осуществляющий в своей задней фокальной
плоскости обратное Фурье-преобразование, т.е. восстанавливающий на чувствительном
слое фотоприемного устройства ФПУ структуру ИК-изображения, созданного объективом
О, но в видимом спектральном диапазоне.
Схема обработки сигналов, снимаемых с выхода ФПУ и преобразуемых на КМОПструктурах в видеосигнал, строится на стандартных элементах. Она включает в себя
процессор цифровых сигналов, обеспечивающий оперативный контроль параметров ФПУ
и ИП и управляемый с помощью постоянной и синхронной динамической памяти. В
процессоре предусмотрен также алгоритм коррекции неоднородности ФПУ, реализуемый
непосредственно перед выдачей видеосигнала.
В отличие от микроболометров, у которых чувствительность сильно зависит от
температурного коэффициента материала пикселов, в таком ММБ чувствительность
определяется геометрией конструкции. Наибольшее влияние на чувствительность
оказывает длина ножки и суммарная толщина слоев ММБ. Для увеличения эффективной
- 72 длины ножек использовалось их гофрирование, что повысило чувствительность ΔΘ/ΔТ до
1 градус/Кельвин. Для негофрированных ножек эта чувствительность не превышала 0,2
градус/Кельвин.
«Развязка» чувствительного слоя ММБ и оптической схемы считывания позволит
сочетать высокое геометрическое разрешение и высокую частоту кадров, обеспечиваемую
хорошим быстродействием современных ФПУ на сравнительно дешевых КМОПструктурах, освоенных и массово выпускаемых промышленностью, что заметно снизит
себестоимость изготовления подобных ИКС.
К настоящему времени корпорации Agiltron удалось заметно уменьшить габариты,
массу и энергопотребление таких устройств и достичь таких их значений, которые близки
к параметрам современных цифровых фотоаппаратов.
Достигнутое значение ЭШРТ составило 60 мК при диафрагменном числе
объектива К=0,75, что эквивалентно 92 мК при К=1. Минимальная обнаруживаемая
разность температур слабоконтрастных объектов составила 53 мК при К=0,75, что
эквивалентно 82 мК при К=1. Частота кадров достигла 103 кадров в секунду.
Основные пути совершенствования подобных ИКС и достижения малых величин
ЭШРТ заключаются, по мнению авторов [67],, в уменьшении дробового шума ФПУ,
обеспечении высокой однородности многоэлементного зеркального слоя ММБ,
повышении поглощательной способности выходного слоя ММБ.
Разделяя поступающее на вход ИК-излучение на два спектральных канала (в
средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах), удалось создать один из первых
образцов ИКС с неохлаждаемым приемником излучения.
- 73 -
5. Программное обеспечение ИКС 3-го поколения
Возможности пассивных ИК-систем (тепловизионных систем) в последние годы
широко используются при разработке так называемых интеллектуальных комплексов, в
которых решение задач по обнаружению, распознаванию, классификации и
идентификации различных объектов и явлений ведется аналоговыми или
комбинированными аналого-цифровыми способами, часто имитирующими работу
зрительного аппарата живых существ и человека.
Анализ и обработка видеосигнала, получаемого с выхода ФПУ, позволяет решать
такие задачи, которые в большинстве ИКС 1-го и 2-го поколений не рассматривались.
Примерами таких задач являются повышение контраста изображения, улучшение его
качества, сегментация движущихся объектов, статистическая обработка изображения
наблюдаемого поля с целью исключения помех и фонов, находящихся на втором плане и
снижающих вероятность правильного обнаружения человеком-оператором объектов,
находящихся на переднем плане наблюдаемой сцены.
Наиболее распространенными задачами, которые решаются программными
средствами современных ИКС, являются:
 автоматическая коррекция неоднородности изображений из-за геометрического
шума матричных ФПУ и нелинейности их передаточной функции;
 замещение дефектных элементов матричного ФПУ;
 изменение масштаба и формата изображения;
 сжатие динамического диапазона видеосигналов для адекватного отображения
информации на экране системы отображения (дисплее);
 выделение отдельных областей изображения, например, имеющих большую (или
малую) яркость;
 псевдоокраска зон изображения с различными яркостями или температурами;
 повышение качества изображения путем увеличения его резкости и
"подчеркивания" границ изображений отдельных объектов сцены;
 автоматическая регулировка контраста и яркости как в изображении всей сцены,
так и в отдельных (локальных) ее частях;
 объединение изображений, получаемых в различных спектральных каналах;
 коррекция несовпадения (геометрического рассогласования) кадров, получаемых в
разных спектральных диапазонах;
 изменение увеличения («зумминг»);
 стабилизация изображения (поля наблюдения);
 устранение дискретности изображения путем использования алгоритмов
интерполяции;
 предсказание визуальных различий отдельных объектов (элементов сцены);
 определение факта наличия в изображаемой сцене интересующего наблюдателя
объекта и его идентификация;
 подавление нежелательных мощных сигналов, например, орудийных вспышек;
 автофокусировка;
 отображение других данных и символов – текущего времени, сеток, шкал,
координат по GPS и др.
Не останавливаясь на путях решения этих задач, рассматриваемых в огромном
числе публикаций, упомянем лишь небольшое число некоторых типовых алгоритмов,
используемых в программно-аппаратном блоке ИКС 3-го поколения.
Алгоритм повышения резкости, в соответствии с которым изображение
обрабатывается в областях высоких пространственных частот, т.е. тех, от которых зависит
качество идентификации объектов. обеспечивает выделение мелких деталей изображения.
- 74 Алгоритм локальной регулировки яркости устанавливает локальный уровень
контраста и яркости для каждого отдельного пиксела или сравнительно небольшой их
группы, определяемый статистическими показателями окрестных пикселов. Входными
параметрами при этом являются размер принимаемой в учет окрестности, взвешивающей
контур, и взвешенная глобальная статистика изображения. Этот алгоритм, в основном,
выделяет детали в области средних пространственных частот, определяющих
классификацию объектов.
Алгоритм задания порогов уровней яркости, которые выбираются для обеспечения
высокого контраста между передним планом наблюдаемой сцены и общим фоном
применяется для выявления более ярких, чем фон, объектов и подавления фоновых помех.
Он обычно используется для обнаружения информации в области низких
пространственных частот.
Для повышения эффективности обнаружения, классификации и идентификации
различных целей помимо алгоритмов обработки пространственной информации
целесообразно использовать алгоритмы обработки пространственно-временной
информации. Примерами таких алгоритмов могут быть:
 суперразрешение;
 коррекция неоднородности с учетом содержания сцен;
 коррекция качества изображения, создаваемого объективом системы;
 электронная стабилизация изображения;
 медианная фильтрация;
 определение координат и параметров движения целей.
Программное обеспечение ИКС 3-го поколения разрабатывается для обработки
много- и гиперспектральных данных и измерений, пригодных для военных применений.
Сюда относится, например, программа MASINT (Measurement and Signatures Intelligence)
включающая в себя программы COSMEC и COSMEC Subpixel Classifier; файлы
программы субпиксельного классификатора программы IMAGINE; программы FLEXlmтм;
ASM, HySITES и NIDA.
Приведем сведения о некоторых разработках программного обеспечения работы
ИКС, появившихся в последние годы.
Повышение контраста и пространственного разрешения ИКС при низкой
облученности цели может быть достигнуто путем синтеза изображений, получаемых в
ближневолновой и длинноволновой частях ИК спектрального диапазона. Так, в [68]
описывается система, в которой ближневолновый канал построен на ЭОП 3-го поколения,
соединенном с ФПУ на матричных КМОП-приемниках формата 1900 х 1086 пикселов.
Для построения изображения используется 1280 х 1024 пикселов. В длинноволновом
канале применяется микроболометр формата 320 х 240 или 640 х 480. Перед синтезом
изображений на двухцветовом дисплее с управляемой оператором яркостью они
масштабируются с частотой 30 кадров в секунду.
В [69] приводится описание статистической операции сегментации движущихся
объектов в реальном масштабе времени в тепловизионной охранной системе. Фильтрация
помех из-за прохождения тени от облаков, развеваемой по ветру травы и другой
растительности позволила снизить вероятность ложных тревог, уменьшить утомляемость
персонала подразделений безопасности.
Группой обработки визуальной информации Исследовательского Центра NASA
(Лэнгли, США) был разработан алгоритм обработки изображения MSR (Multiscale
Retinex), полученного многоканальной оптико-электронной системой визуализации в тех
случаях, когда изменение освещенности наблюдаемой сцены или плохие атмосферные
условия (дождь, туман, сильная дымка, тонкий слой облаков при наблюдениях земной
поверхности сверху) мешают получению хорошего изображения и восприятию его
зрительным аппаратом человека-наблюдателя [70]. Алгоритм обеспечивает сжатие
- 75 динамического диапазона освещенности в изображении без насыщения в случае больших
яркостей сцены и отсечки сигналов в случаях малых её яркостей, а также постоянство
цвета изображения, воспринимаемого наблюдателем, независимо от того, каким
источником облучается (подсвечивается) сцена. Результаты многочисленных
экспериментов на местности, приведенные в [70], свидетельствуют о заметном улучшении
видимости (на 50% и более) и четкости изображения при использовании алгоритма MSR.
Целью разработки являлась помощь пилотам летательных аппаратов, однако, она с
успехом может быть использована в военных и охранных системах, службах спасения, в
медицине, при судебных расследованиях и др., а также во многих многодиапазонных
оптико-электронных и инфракрасных системах.
Агенство ракетной обороны США совместно с Исследовательской лабораторией
ВВС США и компанией Solid State Scientific сообщили об интеграции ИК ФПУ с мощным
параллельным процессором – ячеистой сетевой нелинейной структурой (CNN), могущей
обрабатывать до 10000 кадров в секунду, что особенно важно при обработке сигналов от
быстро движущихся объектов. Вероятность обнаружения различных целей может
достигать 0,95, если для разделения сигналов от целей применяются нейронные сети с
импульсной связью и фильтры для отделения сигнала от шума.
В сообщении Шведского агенства оборонных исследований [71] говорится об
идентификации целей с использованием гиперспектральной информации, получаемой от
множества отдельных датчиков. Для конкретного типа целей возможно выбрать
оптимальную полосу.
Поскольку ИКС визуализации работают в самых различных условиях, алгоритмы
обработки изображений должны обеспечивать оптимизацию восприятия и интерпретации
человеком-наблюдателем получаемой видеоинформации. В целях усиления локального
контраста в изображениях сцены, повышения резкости, автоматической классификации
изображений компанией L- CE(Communication Cincinnati Electronics, Mason, Ohio, US)
были разработаны алгоритмы такой обработки изображений, объединенные в
программный пакет (компьютерную модель) предсказания визуальных различий (Visual
Difference Predictor - VDP). [72]. Эти алгоритмы предназначены, в первую очередь, для
использования в режиме обнаружения целей военного назначения при работе в реальном
масштабе времени с потоками видеоинформации до 840 Мбайт/с, что соответствует
матричным многоэлементным ФПУ с 106 пикселов и частоте кадров 60 Гц.
Описанный в [72] программный пакет VDP - это аппаратно независимая модель,
основанная на свойствах зрительной системы человека. С помощью VDP может быть
измерена вероятность Рk того, что глаз обнаружит разницу двух представленных
изображений. Он используется для сравнения исходного и обработанного изображений с
последующим измерением вероятности того, что наблюдатель увереннее выявит
информацию, рассматривая улучшенное изображение. Пакет VDP включает в себя четыре
независимых составляющих, которые комбинируются при изменении вероятности
обнаружения.
Выходом VDP являются вероятности обнаружения как функции пространственных
частот. Для целей сравнения может быть получено единственное значение вероятности
путем усреднения данных по пикселам.
Модель VDP показала себя вполне работоспособной, однако она требует большого
объема входной информации и весьма сложна в эксплуатации. Поэтому было желательно
разработать более простую форму VDP, способную сохранить необходимую точность. С
этой целью произведены две модификации модели VDP. Первая состояла в том, что был
применен более простой подход к расчету карты уровней порогов ΔТ, присущий
изображениям формата JPEG. Вторая предусматривала применение вместо
преобразования Сortex, учитывающего как пространственные частоты, так и угол
ориентации, техники пространственной фильтрации, которая учитывает только
- 76 контрастную разницу пространственных частот. Результатом явились более эффективные
и достаточно точные алгоритмы.
Для оценки улучшений, способствующих решению задач обнаружения,
классификации и идентификации целей VDP группируются согласно соответствующим
требованиям. Например, два низкочастотных поддиапазона группируются, формируя
поддиапазон обнаружения. Результаты VDP для групп поддиапазонов затем
комбинируются для формирования единого VDP-изображения для каждой из трех
категорий задач. Результаты для ансамбля пикселов в данном изображении могут быть
усреднены для получения единого количественного показателя. В результате можно
получить показатели улучшения изображения для каждой из трех категорий задач.
При построении много- и гиперспектральных изображений в видимом и
ближневолновом ИК (0,4-2,5 мкм) диапазонах спектра, которые образуются за счет
отражения излучения от наблюдаемой сцены, важно исключить влияние поглощения и
рассеяния в атмосфере, т.е. провести атмосферную коррекцию сигналов, получаемых при
дистанционном зондировании сцены через атмосферу. В [73] предлагается алгоритм такой
коррекции, отличающийся от известных методов корректировки (использование
уравнений теплопереноса, эмпирический линейный метод ELM) большей точностью,
более высокой скоростью вычислений, что позволяет использовать его в реальном
масштабе времени и не зависеть от априорных сведений о состоянии атмосферы.
Алгоритм основан на определении параметров, необходимых для проведения
коррекции влияния атмосферного поглощения и рассеяния, непосредственно по сигналам,
получаемым от отдельных участков (пикселов) наблюдаемой сцены. Это позволяет
отказаться от радиометрической и спектральной калибровки аппаратуры, образующей
изображения сцены. При реализации алгоритма предполагается, что сцена содержит 10 и
более участков с различными значениями спектральной отражательной способности, а
средние квадратические значения этой способности практически постоянны в рабочем
спектральном диапазоне (0,4...2,5 мкм). Кроме того, предполагается, что наблюдаемая
сцена содержит "темные" пикселы, т.е. участки со спектральным отражением, близким к
нулю.
Экспериментальная проверка эффективности алгоритма проводилась с помощью
гиперспектрального видеоспектрометра AVIRIS, работающего в 224-х спектральных
каналах внутри диапазона 0,4...2,5 мкм с разрешением на подстилающей поверхности наблюдаемой сцены равным 2...20 м. Проверка подтвердила эффективность
предлагаемого способа коррекции влияния атмосферы на результаты определения
отражательной способности наблюдаемой сцены.
- 77 -
6. Адаптивные ИКС 3-го поколения
Как известно, одним из путей совершенствования ИКС является адаптация их
спектрального и пространственного разрешения к условиям работы системы.
Перспективной представляется разработка адаптивного двухдиапазонного ФПУ,
описанного в [74]. Устройство состоит из матрицы элементарных перестраиваемых
спектральных фильтров, имеющих размер порядка одного или нескольких фотоприемных
пикселов. Матрица фильтров
соединена с матричным двухдиапазонным МПИ.
Управляемые микромодульным блоком (ММБ) фильтры позволяют выделить очень
быстро узкие полосы в диапазоне 8…12 мкм и широкий диапазон 3…5 мкм. Каждый
элемент матрицы фильтров может перестраиваться независимо от других.
1
2
≈
5
≈
3
4
6
2
7
а
7
4
7
5
б
ММБ
МПИ
Рис.6.1. Схематическое изображение гибридной конструкции адаптивного двухдиапазонного
матричного МПИ: а – сечение одного элемента матрицы фильтров,
б – вид сверху (по ходу излучения) на нижнее зеркало оптического резонатора,
в
в – сечение интегральной сборки ММБ и МПИ (стрелками
показан размер одного пиксела); 1 – общая
толстая кремниевая подложка; 2 – противоотражающее покрытие;
3 – воздушный промежуток; 4 – зеркала; 5 – термокомпрессионные прокладки; 6 – тонкая кремниевая
подложка; 7Элемент
– уголковые
кремниевые
пружины
матрицы
фильтров
представляет собой миниатюрный эталон Фабри-Перо
с изменяемым воздушным промежутком 3 между зеркалами 4, образующими оптический
Изменение воздушного промежутка (глубины резонатора d) ведет к перестройке
- 78 спектральной характеристики пропускания фильтра. Пик полосы поглощения λм,
определяемый резонатором, можно рассчитать по формуле
nd 
(2 k  1)λ
м
,
4
где n – показатель преломления среды, заполняющей резонатор (n = 1 для
вакуума), k – порядок резонатора.
Для d ≈ 2,5 мкм при k = 0 λм= 10 мкм, что соответствует максимуму излучения
многих объектов в длинноволновом ИК-диапазоне. Для k = 1
λм= 3,33 мкм, что
показывает возможность использования такой конструкции для приема излучения в
средневолновом ИК-диапазоне.
Кремниевая подложка 1 с противоотражающим покрытием 2 является общей для
всех фильтров матрицы. На нижнюю ее поверхность наносятся неподвижные зеркала
эталонов Фабри-Перо. Подвижные зеркала эталонов наносятся на тонкие (толщиной 20
мкм) кремниевые подложки 6 с противоотражающим покрытием 2, соединяемые с
помощью термокомпрессионных золотых прокладок 5 с общей толстой подложкой 1.
Конструкция подвижного зеркала должна обеспечивать его плоскостность и
параллельность неподвижному зеркалу при возникновении напряжений в его подложке
из-за деформаций многослойного отражающего покрытия. Для этого используются
длинные уголковые кремниевые пружины 7, расположенные по периферии подвижного
зеркала по его углам.
Такая конструкция позволяет также увеличить плотность размещения элементов в
матрице фильтров. Расчеты показали, что для получения узких полос в диапазоне 8…12
мкм и хорошего пропускания в диапазоне 3…5 мкм допуск на плоскостность и
параллельность не должен превышать 35 нм. Конструкция ММБ рассчитана так, чтобы
обеспечить этот допуск как при криогенных, так и при комнатных температурах.
К подвижной и неподвижной частям эталона прикладывается постоянное
напряжение, меняя которое, можно изменять величину зазора между зеркалами и тем
самым длину волны излучения, проходящего через резонатор. Для управления каждым
элементом в отдельности вводится специальный мультиплексор [75].
В сочетании с описанной конструкцией используется двухдиапазонное ФПУ со
схемой одновременного и независимого съема сигналов в каждом рабочем спектральном
диапазоне. Гибридизация ММБ и ФПУ минимизирует параллакс и перекрестные связи
между двумя спектральными каналами.
В отличие от некоторых известных систем, в которых перестраиваемый фильтр –
эталон Фабри-Перо помещается перед объективом, чтобы избежать изменений
спектральной характеристики фильтра при больших углах падения лучей, и в которых
меняется спектральный состав излучения всей наблюдаемой сцены, в предлагаемой
конструкции такое изменение возможно вести для отдельных пикселов или их групп, т.е.
отдельных участков сцены. Это позволяет создать систему, адаптивную не только по
отношению к спектру излучения наблюдаемой сцены, но и к ее пространственновременной структуре.
В устройстве, описанном в [74, 75], в качестве зеркал используются тонкие пленки
Ge и ZnS. Поскольку оптический резонатор предназначен для выделения полос в
диапазоне 8…12 мкм, зеркала должны иметь достаточный коэффициент отражения в этом
участке спектра и обладать хорошим пропусканием в диапазоне 3…5 мкм. Исходя из
этого подбирались материалы и показатели преломления зеркальных пленок. Аналогично
подбирались материалы и толщины противоотражательных покрытий.
- 79 -
Коэффициент пропускания
100
80
60
40
20
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Длина волны, мкм
Рис. 6.2. Спектральное пропускание одного элемента матрицы фильтров (расчетные
значения) [74]
В расчетах учитывались параметры зеркал и противоотражательных покрытий,
также интерференция в тонкой кремниевой подложке подвижного зеркала и величина
угла падения лучей на плоское зеркало (апертура принималась равной f′/6,5). Каждая из
кривых на рис.6.2 (сплошная, пунктирная, точечная и т.д.) соответствует различным
длинам резонатора (толщинам воздушного промежутка между зеркалами), изменявшимся
от 3,1 до 5,6 мкм. Промежуточные (между 5 и 8 мкм ) полосы могут быть устранены с
помощью режекторного фильтра.
Можно отметить, что меньшее пропускание в области 8…12 мкм, по сравнению с
областью 3…5 мкм, может оказаться полезным при работе ИКС с таким ФПУ по объектам
и сценам, имеющим температуру близкую к 300 К, поскольку снизит требования к
емкости ячеек схемы накопления и считывания зарядов, собираемых в диапазоне 8…12
мкм.
В [75] описываются экспериментальные исследования образца такого устройства,
созданного на базе КРТ-ФПУ формата 8 х 24 пикселов с размерами от 300 х 300 до 500 х
500 мкм и зеркалами ММБ размерами от 200 х 200 до 400 х 400 мкм. Соединение
элементов ММБ с пикселами ФПУ осуществлялось с помощью индиевых столбиков.
Время установки перестраиваемого фильтра на новую спектральную полосу составляло
около 1 мс. Образец помещался в корпус, заполненный неоном. Вся конструкция
находилась внутри дьюара, обеспечивавшего рабочую температуру 80 К.
Перестройка спектральных характеристик исследовалась в различных участках
спектра – от 8 до 11 мкм. Измерялось пропускание ММБ-фильтра при настройке его на
различные длины волн. На рис.7.3 приведены примеры полученных зависимостей, причем
сплошные кривые соответствуют начальной длине волны λ настройки фильтра 11,7 мкм, а
пукнктирные – меньшей начальной, равной 9,5 мкм [75]. Результаты экспериментальных
исследований подтвердили возможность получения узких полос пропускания ММБфильтра порядка 100 нм в спектральном диапазоне 8…11 мкм.
- 80 -
Относительное пропускание
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Длина волны , мкм
Рис.6.3. Спектральные характеристики перестраиваемого ММБ – фильтра, полученные
экспериментально [75]
Вызывает большой интерес сообщение компании Nova Research, Inc. о разработке
процессора, изменяющего пространственное разрешение («остроту зрения») МПИ в
реальном масштабе времени [76]. Процессор позволяет изменять пространственную
компоновку совокупностей пикселов программным способом, т.е. изменять
пространственную конфигурацию элементов изображения, распределяя накапливаемые
заряды (фотоны) по заданному закону. Таким образом можно обеспечить более высокое
пространственное разрешение в заданной зоне поля обзора, т.е. имитировать область
наилучшего зрения (фовеа, желтая ямка) глаза человека. Система с таким процессором
может работать при высокой частоте кадров (в несколько кГц) и высоком разрешении в
центре поля и в то же самое время перекрывать все поля обзора, не увеличивая для этого
скорость
считывания
данных
об
облученности
элементов
всего
кадра.
Перепрограммирование может осуществляться на кадровой частоте. Такая система может
обеспечить обнаружение целей с использованием двумерной корреляции,
осуществляемой в реальном масштабе времени.
- 81 -
К о нт р о л ь н ые во пр о с ы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Н а р и с уй т е с т р ук т у р н ы е с х е м ы И К С 1 - г о , 2 - г о и 3 - г о п о к о л е н и й .
Назовите наиболее известные области пр именения инфракрасных
приборов и систем (с примерами).
Перечислите
основные
проблемы
и
тенденции
развития
современных ИКС.
Перечислите основные критерии качества ИК С.
Перечислите критерии пространс твенного разрешения ИКС.
Перечислите критерии энергетического разрешения ИКС.
Какова общая методология создания современного оптико электронного прибора? Назовите ее основные этапы.
Назовите новые оптические материалы, применяемые в ИК С.
Н а р и с уй т е с т р ук т у р н ы е с х е м ы И К С с м а т р и ч н ы м и п р и е м н и к а м и .
Дайте
с р а в н и т е л ь н ую
характеристику
охлаждаемых
и
неохлаждаемых ФПУ.
Приведите
примеры
использования
ИКС
в
космических
исследованиях.
Приведите примеры использования инфракрасных приборов при
дистанционном зондировании Земли и планет
Каковы перспективы развития д ифракционной и гибридной
оптики?
Каковы перспективы развития панорамной оптики?
Дайте сравнительную характеристику различных типов
современных и перспективных многоэлементных приемников
и з л уч е н и я .
Каковы перспективы развития матричных фотоприемных
устройств?
Приведите примеры перспективных ИКС 3-го поколения.
Каковы выводы из сделанного Вами перевода (или реферата по
переведенной статье).
- 82 -
Библиография
•
•
1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2011.-568 с.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. – М.: Логос, 2004. –
480 с.
• 3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с
матричными приемниками излучения. – М.: Логос, 2007. -192 с.
• 4. Тарасов В.В., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы 3-го поколения. – М.:
Логос, 2011. - 242 с.
• 5. Infrared Imaging News, Vol.15, № 9, September 2009
• 6. Infrared Imaging News, Vol.16, №7, July 2010
• 7. Wick R.V. Revitalized militarily critical technologies program.– SPIE Proc., V.5798 (2005), P.234-243
• 8. Dirbas J., Mireles T., Davies A. et al. MANTIS-3: A low cost, light-weight, turreted spectral sensor. –
SPIE Proc, V.5787 (2005), P. 9-16
9. Vizgaitis J. 3rd Generation FLIR demonstrator. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400U-1…10
10.Vizgaitis J., Miller J., Hall J., Berube D. Third generation infrared optics. - SPIE Proc., V.6940 (2008),
P.69400S-1…10
11. Vizgaitis J. Dual f/number optics for 3rd generation FLIR systems. – SPIE Proc., V.5783 (2005), P.875886
12. Smith J.G., Borek G.T. Etching of chalcogenide glass for IR microoptics. - SPIE Proc., V.6940 (2008),
P.69400W-1…7
13. Snyder M.P., Visgaitis J.N. Optical design study for the 1-5 m spectral band. - SPIE Proc., V.7298
(2009), P.729810-1…12
14. Zadravec D., Franks J.W., Rodgers K.A. et al. A multi-spectral optical system (1,55 μm and 8-12 μm) of
GASIR. 1 Design and coating aspects.- SPIE Proc., V. 7298 (2009), P.72982L-1…9
15. Zhao J., DiFilippo V. Low cost molded optics for IR imaging.-SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72983J-1…8
16. Rahmlow T.D., Lazo-Wasem J.E. Dual-band antireflection coatings for the infrared. - SPIE Proc., V.6940
(2008), P.69400T-1…8
17. Hendrix K.D., Bergeron A., Favot D.L. High performance MWIR dual bandpass filter for thermal
imaging.- SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72982K-1…12
18. Bjork C., Wan W. Mid-wave infrared (MWIR) panoramic sensor for various applications. - SPIE Proc., V.7660
(2010), P.76600B-1…9
19. Nichols J.M., Waterman J.R. Performance characteristics of a submarine panoramic infrared sensor. - SPIE
Proc., V.7660 (2010), P.766005-1…9
20. Fontanella J.-C., Delacourt D., Klein Y. ARTEMIS: first naval staring IRST in service. - SPIE Proc., V.7660
(2010), P.766006-1…11
21. Fisher J., Welch W.C. Survey and analysis of fore-optics for hyperspectral imaging systems. - SPIE Proc.,
V.6206 (2006), P.62062R-1…11
22. Mouroulis P. Compact infrared spectrometers. – SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729803-1…10
23. Morrison R., Stack R., Athale R. et al. An alternative approach to infrared optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010),
P.76601Y-1…11
24. Le Noc L., Tremblay B., Martel A. et al. 1280 x 960 pixel microscanned infrared imaging module. - SPIE Proc.,
V.7660 (2010), P.766021-1…10
25. Singer M. Design of a cryogenic IR detector with integrated optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601Z1…9
26. Cogburn G., Symmons A., Mertus L. Molding aspheric lenses for low-cjst production versus diamond turned
lenses. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766020-1…6
27. Donval A., Fisher T., Blecher G., Oron M. Dynamic sunlight filter (DSF) – a passive way to increase the
dynamic range in visible and SWIR cameras - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.7660024-1…8
28. Martyniuk P., Rogalski A. Comparison of performance of quantum dot and other types of infrared
photodetectors. – SPIE Proc., V.6940 (2008), P.694004-1…10
29. Breiter R., Ihle T., Wendler J. et al. MCT IR detection modules with 15 mcm pitch for high reliability
applications. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766039-1…11
30. Abbott P, Pillans L., Knowles P., McEwen R.K. Advances in dual-band IRFPAs made from HgCdTe grown by
MOVPE. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766035-1…11
31. Kinch M.A., Schaake H.F., Strong R.L. et al. High operating temperature MWIR detectors. - SPIE Proc.,
V.7660 (2010), P.76602V-1…13
32. Ashcroft A., Baker I. Developments in HgCdTe avalanche photodiode technology and applications.- SPIE
Proc., V.7660 (2010), P.76603C-1…11
33. Melkonian L., Bangs J., Elizondo L. et al. Performance of MWIR and SWIR HgCdTe-based focal plane arrays
at high operating temperatures.- SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76602W-1…11
- 83 34. Gordon N.T. Thermo electrically cooled focal plane arrays based on MCT.- SPIE Proc., V.7660 (2010),
P.76602X-1…8
35. Hipwood L.G., Baker I.M., Jones C.L. et al. LW IRFPAs made from HgCdTe grown by MOVPE for use in
multispectral imaging. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.6940G-1…12
36. Gunapala S.D., Bandara S.V., Liu J.K. et al. Demonstration of 1024 [ 1024 pixel dual-band QWIP focal plane
array. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76603L-1…8
37. Soibel A., Gunapala S.D., Bandara S.V. et al. Large format multicolor QWIP focal plane arrays. – SPIE Proc.,
V.7298 (2009), P.729806-1…8
38. Robo J.A., Costard E., Truffer J.P. et al. QWIP focal plane arrays performances from MWIR to VLWIR. –
SPIE Proc., V.7298 (2009), P.7298OF-1…12
39. Klem E.J., Lewis J.S., Temple D. Multispectral UV-Vis-IR imaging using low-cost quantum dot technology //
SPIE Proc., vol.7660, P. 76602E-1…9
40. Zhang W., Lim H., Tsao S. et al. InAs quantum dot infrared photodetectors (QDIP) on InP by MOCVD. - SPIE
Proc., V. 5543 (2004), P. 22-30
41. Lu X., Vaillancourt J. A voltage-tunable multiband quantum dot infrared focal plane array with high
photodetectivity. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.694007-1…5
42. Shenoi R.V., Rosenberg J., Vandervelde T.E. et al. Multispectral infrared detection using plasmon-assisted
cavities. – SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729808-1…7
43. Breiter R., Lutz Y., Scheibner R. et al. Design optimization of superlattice type-II IR-detection modules with
temporal signal coincidence in two spectral ranges. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400B-1…7
44. Hood A., Evans A.J., Ikhlassi A. et al. LWIR high performance focal plane arrays based on type-II strained
layer superlattices (SLS) materials. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601M-1…8
45. Razeghi M., Huang E.K., Pour B-M.N.S.A., Delaunau P.-Y. Type ΙΙ antimonide-based superlattices for the
third generation infrared focal plane arrays. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601F-1…14
46. Rehm R., Walther M., Schmitz J. et al. Type ΙΙ superlattices – the Fraunhofer perspective. - SPIE Proc., V.7660
(2010), P.76601G-1…12
47. Delaunau P.-Y., Nguyen B.-M., Razeghi M. Background limited performance of long wavelength infrared
focal plane arrays fabricated from Type-II InAs/GaSb M-structure superlattice.- SPIE Proc., V. 7298 (2009), Р.
72981Q-1…9
48. Walther M., Rehm R., Schmitz J. et al. Antimony-based superlattices for high-performance infrared imagers. SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400A -1…8
49. Nguyen B.-M., Hoffman D., Huang E.-K. et al. High performance antimony based Type-II superlattice
photodiodes on GaAs substrates. - SPIE Proc., V. 7298 (2009), Р. 72981T-1…12
50. Boisvert J., Isshiki T., Sudharsanan R. et al. Performance of very low dark current SWIR PIN arrays. - SPIE
Proc., V.6940 (2008), P.69400L-1…8
51. Sood A.K., Richwine R.A., Puri Y.R. Design considerations for SiGe-based near- infrared imaging sensor. SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400M -1…9
52. Enriques M.D., Blessinger M.A., Groppe J.V. et al. Performance of high resolution visible-InGaAs imager for
day/night vision. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400O-1…9
53. Willems D., Benschop T., Groep W.v.d. et al. Update on Thales flexure bearing coolers and drive electronics.SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729815-1…10
54. Radebaugh R., Garaway I., Veprik A.M. Development of miniature, high frequency pulse tube cryocoolers. SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76602J-1…11
55.Veprik A., Zehtzer S., Pundak N. Split Stirling linear cryogenic cooler for a new generation of high temperature
infrared images. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76602K-1…13
56.Gordon N.T. Thermoelectrically cooled focal plane arrays based on MCT. – SPIE Proc., V.7660 (2010),
P.76602X-1…11
57. King D.F., Graham J.S., Kennedy A.M. et al. 3 rd –generation MW/LWIR sensor engine for advanced tactical
systems. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69402R-1…12
58. Mai M., Ruhlich I., Wiedmann Th., Rosenhagen C. Development trends in IR detector coolers. - SPIE Proc.,
V.7298 (2009), P.729819-1…8
59. Kipper R., Arbel D., Baskin E. et al. The roadmap for low price-high performance IR detector based on LWIR
to NIR light up-conversion approach. – SPIE Proc., V.7298 (2009), P.7298OJ-1…5
60. Crastes A., Tissot J.L. Uncooled amorphous silicon ¼ VGA IRFPA with 25 m pixel-pitch for high end
applications. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69401V-1…6
61. Black S., Ray M., Hewitt C. et al. RVS uncooled sensor development for tactical applications. - SPIE Proc., V.
6940 (2008), P. 694022-1…9
62. Schiment T., Brady J., Fagan T. et al. Amorphous silicon-based lardge-format uncooled FPA microbolometer
technology. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.694023-1…7
63. Schiment T., Hanson C., Brady J. et al. Advances in small pixel, large format α-Si bolometer arrays. - SPIE
Proc., V. 7298 (2009), P. 7298OT-1…5
- 84 64. Ohnakado T., Ueno M., Ohta Y. et al. Novel readout circuit architecture realizing TEC-less operation for SOI
diod uncooled IRFPA. - SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72980V-1…10
65. Secundo L., Lubianiker Y., Arganat A.I. Uncooled FPA with optical reading: reaching the theoretical limit. –
SPIE Proc., V. 5783 (2005), P. 483-495
66. Ming Wu, Cook I., DeVito R. et al. Novel low-cost uncooled infrared camera. - SPIE Proc., V.5783 (2005),
P.69401I-1…11
67. Erdtmann M., Zhang L., Jin G. Uncooled dual-band MWIR/LWIR optical readout imager. - SPIE Proc., V.6940
(2008), P.694012 -1…11
68. Estrera J.P. Digital image fusion systems: color imaging and low-light targets. - SPIE Proc., V.7298 (2009),
P.72981С-1…14
69. Morellas V., Johnston C., Johnston A. et al. Day, night and all-weather security surveillance automation. –
SPIE Proc., V.5778 (2005), P.757-770
70. W o od ell G. Enhance men t o f i mager y i n p o o r vi sib ility. - SPIE Proc., V.5778 (2005), P. 673-682
71. Wadstromer N., Renhorn I. An information theoretic model of target discrimination using hyperspectral and
multisensor data. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69402H-1…12
72. Wade D. Objective evaluation of IR image enhancement algorithms. - SPIE Proc., V.5782 (2003), P.59-67
73. L.S.Bernstein . Validafion of the QUick Atmospheric Correction (QUAC) algorithm for VNIR-SWIR multiand hyperspectral imagery. SPIE Proc.,V.5806 (2005), P. 668-677
74. Gunning W.J., Johnson J., DeNatale J. LWIR/MWIR adaptive focal plane array. - SPIE Proc., V.5612 (2004),
P.55-56
75. Gunning W., Lauxtermann S., Durmas H. et al. MEMS-based tunable filters for compact IR spectral imaging. SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72982I-1…9
76. Curzan J.P., Baxter C.R., Massie M.A. Variable acuity imager with dynamically steerable, programmable
superpixels. – SPIE Proc., V. 4820 (2003), P. 318-326