eng
Просмотры: 1034
22.05.2024
Инженеры стремятся осуществить мечту технолога – создать матричное ФПУ с уменьшенным шагом пиксела, высокой равномерностью чувствительности пикселов, возможностью работы ФПУ без охлаждения, с малыми массогабаритными характеристиками, низкими затратами на его производство.
Но на практике компромисс между пожеланиями технологов и возможностями инженеров достичь невозможно. Причина – в разнообразии ФПУ, работающих в разных условиях эксплуатации, несущих множество самых разнообразных функций в разных спектральных диапазонах. В области дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра. Матричные фотоприемные устройства (МФПУ) для оптико-электронных систем специального назначения должны работать в многоспектральных поддиапазонах. Для одних ФПУ важно сохранить во времени высокую чувствительность при заданных условиях наблюдения – параметрах атмосферы и фоноцелевой обстановки, обеспечить хорошее сочленение с оптической системой, для других – важно поддерживать высокую вероятность обнаружения типовых целей на определенной дальности, которая определяется пороговым значением чувствительности и сохранять возможность их сопровождения.
Казалось бы, преимущество высокочувствительных фотоприемников на основе CdHgTe заключается в том, что они могут быть изготовлены по единой планарной технологии. Это должно обеспечивать их широкое применение. Но использование ФПУ, работающих в MWIR-диапазоне, сдерживается необходимостью охлаждения тепловизионных детекторов до температуры жидкого азота (78К). Чтобы облегчить вес носимых криогенных устройств охлаждения для ФПУ, необходимо повысить их рабочую температуру до 150К, а для этого необходимо снизить их темновой ток. Для этого технологические методы создания ФПУ на объемных кристаллах InSb заменяют на молекулярно-лучевую эпитаксию выращивания гетероструктур со слоями InSb, InAlSb, InSbAs или легируют слои CdHgTe химическими веществами In или As.
Самая широкая зона атмосферного пропускания существует в длинноволновом LWIR-диапазоне, но в этой зоне ФПУ работают не очень стабильно. Зато здесь проявляется важнейшее преимущество болометрических детекторов – работа без охлаждения (при температурах около 300К). Лидирующие компании мира для создания микроболометров используют оксид ванадия (VOx) или аморфный кремний (α-Si). Однако пользователи столкнулись с проблемой деградации матриц во времени. Недавно для диапазона 7-14 мкм Оптико-механическое конструкторское бюро «Астрон» выпустило дистанционно управляемый оптико-электронный комплекс дальнего видеонаблюдения «Астрон-3В», который обеспечивает высокое качество изображения в светлое и темное время суток. Тепловизионные матрицы формата 640×480 элементов обеспечивают хорошую детализацию изображения и позволяют обнаруживать и распознавать ростовую фигуру человека на расстоянии до 6000 метров для первого тепловизионного канала (f=275 мм) и до 3000 метров для второго тепловизионного канала (f=100 мм).
Кроме решения проблем с обеспечением чувствительности ФПУ в определенных спектральных диапазонах и ее воспроизводимости при разработке систем наблюдения требуется решить конструктивные задачи приборостроения. Это задачи сочленения матриц с другими элементами оптико-электронных систем. Задачи проявляют свою актуальность при возникновении проблемы потери информации. Одна из них – это задача сочленения фотоприемных устройств с другими элементами и узлами систем наблюдения. Опасность потери возникает при создании фокальной сборки из МФПУ для оптико-электронной системы наблюдения. Для фокально-плоскостных двумерных многоэлементных приемников излучения при их интеграции в малогабаритных космических спутниках важно обеспечить оптическое совмещение активных областей нескольких МФПУ между собой в области оптической стыковки.
При интеграции МФПУ в оптические системы следует помнить про фокусирующую оптику. Силикатные стекла (крон и флинт) не пропускают излучение в диапазоне 8-14 мкм, и для фокусировки применяют зеркально-линзовые объективы, где используют германиевые линзы, стоимость которых высока и растет пропорционально диаметру. На длинах волн более 1,6 мкм наблюдается рост потерь, вызванный фононным поглощением за счет колебаний атомов в решетке стекла. При смещении в область больших длин волн используют материалы с меньшими частотами колебательных переходов. Для этого стекла допируют фторидами для λ = 2,5-4 мкм, используют халькогенидные стекла для λ=3,5-6 мкм, используют кристаллические материалы на основе таллия и серебра для λ=5,5-10,6 мкм. Познакомиться с особенностями конструкции длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR можно в недавно опубликованной статье (DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.152.158).
Другая проблема, вносящая искажения в обрабатываемый сигнал, это рассогласование по коэффициентам термического расширения МФПУ и кремниевой БИС считывания при размещении фоточувствительных элементов на кремниевом мультиплексоре. Гибридная схема изготовления тепловизионных матриц с уменьшенной разницей между коэффициентами имеет высокую стоимость, что ощутимо при переходе на серийное производство МФПУ.
Однако появляются новые технологии, улучшающие свойства тепловизионных ФПУ. Например, технология поляриметрической визуализации, позволяющая выделить искомый объект техногенного происхождения, типа света автомобильных фар, на фоне шумов при малых энергетических контрастах. Нелинейно-оптическая обработка изображения, полученного от источников естественного излучения, находит распространение в идентификации объектов при дистанционном зондировании, при компьютерной визуализации, использовании машинного зрения. При этом важно иметь сильный оптический нелинейный отклик высокой интенсивности на некогерентном фоне слабой интенсивности. В конструкции следует минимизировать потери энергии через нелинейные слои, обеспечивая высокую скорость обработки, большой коэффициент нелинейности и низкую пороговую интенсивность. Подобрать такой материал крайне сложно, так как в нем требуется компромисс между мощностью, скоростью и прозрачностью. Фотохромные и фоторефрактивные материалы обладают большими временами отклика, а часто – и высоким поглощением; квантовые ямы, имея высокое быстродействие, проявляют слабую нелинейность.
На сегодняшний день таких материалов не существует, но можно использовать иную стратегию для достижения сильной оптической нелинейности при низкой оптической интенсивности, что позволяет осуществлять широкополосную нелинейную модуляцию некогерентного света. В недавно опубликованном материале (https://doi.org/10.1038/s41467-024-46387-5) сообщается о разработке ФПУ для устройства обработки визуальной информации, которое имеет нелинейно-оптический слой и может работать при низкой оптической интенсивности широкополосного освещения и высокой частоте кадров (100 Гц).
Созданная матрица размером 10 000 пикселов содержит в своей конструкции слоистые 2D-прозрачные фототранзисторы (TPT), которые соединены с жидкокристаллическими (LC) модуляторами. Разработчики продемонстрировали сильные нелинейные эффекты при освещении матрицы лазером и белым светом. Нелинейная матрица фильтров была дополнительно интегрирована в систему визуализации на базе мобильного телефона для интеллектуального уменьшения бликов, избирательно блокируя интенсивные блики с небольшим ослаблением объектов с меньшей интенсивностью в поле зрения. Минимальный порог оптической интенсивности составил 56 мкВт/см² для получения значительного нелинейного отклика и низкого энергопотребления в 69 фДж.
Каждый пиксел состоит из независимого 2D-TPT в качестве фотозатвора и ЖК-слоя, выполняющего одновременно функции нагрузочного резистора и оптического модулятора, образуя оптоэлектронный нейрон. Внутреннее фотопроводящее усиление позволяет значительно изменять сопротивление TPT при слабом освещении (0,1–10 МВт/см²). Контролируемое и оптимизируемое согласование сопротивлений TPT и LC-слоя преобразует изменение сопротивления в значительное изменение падения напряжения на LC-слое, что обеспечивает сильное нелинейное поведение LC-модуляторов. Эта гетерогенно интегрированная архитектура позволяет независимо оптимизировать модули TPT и LC для достижения желаемых показателей, преодолевая ограничения, присущие фотохромным или фоторефрактивным материалам.
Оптоэлектронная нейронная матрица может отфильтровывать блики с желаемым порогом интенсивности, который можно точно настроить электронным способом, работая в широком видимом спектре быстрее, чем обычная частота кадров видео. Устройство обеспечивает блокировку интенсивных бликов, позволяя наблюдать объекты с более низкой интенсивностью в поле изображения. Кстати, для создания прозрачных транзисторов была использована прямая лазерная печать MoS2 чернилами. Это новая технология производства приборов гибкой и печатной электроники.
Если вам интересны применения новых технологий гибкой электроники, вопросы обнаружения и распознавания слабоконтрастных или замаскированных объектов, устранения искажения изображений в системах технического зрения, обязательно примите участие в работе секции «Системы тепловидения, системы наведения, приборы ночного видения» XXVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Она пройдет с 29 по 31 мая в Государственном научном центре РФ НПО «Орион» холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Казалось бы, преимущество высокочувствительных фотоприемников на основе CdHgTe заключается в том, что они могут быть изготовлены по единой планарной технологии. Это должно обеспечивать их широкое применение. Но использование ФПУ, работающих в MWIR-диапазоне, сдерживается необходимостью охлаждения тепловизионных детекторов до температуры жидкого азота (78К). Чтобы облегчить вес носимых криогенных устройств охлаждения для ФПУ, необходимо повысить их рабочую температуру до 150К, а для этого необходимо снизить их темновой ток. Для этого технологические методы создания ФПУ на объемных кристаллах InSb заменяют на молекулярно-лучевую эпитаксию выращивания гетероструктур со слоями InSb, InAlSb, InSbAs или легируют слои CdHgTe химическими веществами In или As.
Самая широкая зона атмосферного пропускания существует в длинноволновом LWIR-диапазоне, но в этой зоне ФПУ работают не очень стабильно. Зато здесь проявляется важнейшее преимущество болометрических детекторов – работа без охлаждения (при температурах около 300К). Лидирующие компании мира для создания микроболометров используют оксид ванадия (VOx) или аморфный кремний (α-Si). Однако пользователи столкнулись с проблемой деградации матриц во времени. Недавно для диапазона 7-14 мкм Оптико-механическое конструкторское бюро «Астрон» выпустило дистанционно управляемый оптико-электронный комплекс дальнего видеонаблюдения «Астрон-3В», который обеспечивает высокое качество изображения в светлое и темное время суток. Тепловизионные матрицы формата 640×480 элементов обеспечивают хорошую детализацию изображения и позволяют обнаруживать и распознавать ростовую фигуру человека на расстоянии до 6000 метров для первого тепловизионного канала (f=275 мм) и до 3000 метров для второго тепловизионного канала (f=100 мм).
Кроме решения проблем с обеспечением чувствительности ФПУ в определенных спектральных диапазонах и ее воспроизводимости при разработке систем наблюдения требуется решить конструктивные задачи приборостроения. Это задачи сочленения матриц с другими элементами оптико-электронных систем. Задачи проявляют свою актуальность при возникновении проблемы потери информации. Одна из них – это задача сочленения фотоприемных устройств с другими элементами и узлами систем наблюдения. Опасность потери возникает при создании фокальной сборки из МФПУ для оптико-электронной системы наблюдения. Для фокально-плоскостных двумерных многоэлементных приемников излучения при их интеграции в малогабаритных космических спутниках важно обеспечить оптическое совмещение активных областей нескольких МФПУ между собой в области оптической стыковки.
При интеграции МФПУ в оптические системы следует помнить про фокусирующую оптику. Силикатные стекла (крон и флинт) не пропускают излучение в диапазоне 8-14 мкм, и для фокусировки применяют зеркально-линзовые объективы, где используют германиевые линзы, стоимость которых высока и растет пропорционально диаметру. На длинах волн более 1,6 мкм наблюдается рост потерь, вызванный фононным поглощением за счет колебаний атомов в решетке стекла. При смещении в область больших длин волн используют материалы с меньшими частотами колебательных переходов. Для этого стекла допируют фторидами для λ = 2,5-4 мкм, используют халькогенидные стекла для λ=3,5-6 мкм, используют кристаллические материалы на основе таллия и серебра для λ=5,5-10,6 мкм. Познакомиться с особенностями конструкции длиннофокусных зеркально-линзовых объективов для видимого и инфракрасного диапазона: VIS, SWIR, MWIR и LWIR можно в недавно опубликованной статье (DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.152.158).
Другая проблема, вносящая искажения в обрабатываемый сигнал, это рассогласование по коэффициентам термического расширения МФПУ и кремниевой БИС считывания при размещении фоточувствительных элементов на кремниевом мультиплексоре. Гибридная схема изготовления тепловизионных матриц с уменьшенной разницей между коэффициентами имеет высокую стоимость, что ощутимо при переходе на серийное производство МФПУ.
Однако появляются новые технологии, улучшающие свойства тепловизионных ФПУ. Например, технология поляриметрической визуализации, позволяющая выделить искомый объект техногенного происхождения, типа света автомобильных фар, на фоне шумов при малых энергетических контрастах. Нелинейно-оптическая обработка изображения, полученного от источников естественного излучения, находит распространение в идентификации объектов при дистанционном зондировании, при компьютерной визуализации, использовании машинного зрения. При этом важно иметь сильный оптический нелинейный отклик высокой интенсивности на некогерентном фоне слабой интенсивности. В конструкции следует минимизировать потери энергии через нелинейные слои, обеспечивая высокую скорость обработки, большой коэффициент нелинейности и низкую пороговую интенсивность. Подобрать такой материал крайне сложно, так как в нем требуется компромисс между мощностью, скоростью и прозрачностью. Фотохромные и фоторефрактивные материалы обладают большими временами отклика, а часто – и высоким поглощением; квантовые ямы, имея высокое быстродействие, проявляют слабую нелинейность.
На сегодняшний день таких материалов не существует, но можно использовать иную стратегию для достижения сильной оптической нелинейности при низкой оптической интенсивности, что позволяет осуществлять широкополосную нелинейную модуляцию некогерентного света. В недавно опубликованном материале (https://doi.org/10.1038/s41467-024-46387-5) сообщается о разработке ФПУ для устройства обработки визуальной информации, которое имеет нелинейно-оптический слой и может работать при низкой оптической интенсивности широкополосного освещения и высокой частоте кадров (100 Гц).
Созданная матрица размером 10 000 пикселов содержит в своей конструкции слоистые 2D-прозрачные фототранзисторы (TPT), которые соединены с жидкокристаллическими (LC) модуляторами. Разработчики продемонстрировали сильные нелинейные эффекты при освещении матрицы лазером и белым светом. Нелинейная матрица фильтров была дополнительно интегрирована в систему визуализации на базе мобильного телефона для интеллектуального уменьшения бликов, избирательно блокируя интенсивные блики с небольшим ослаблением объектов с меньшей интенсивностью в поле зрения. Минимальный порог оптической интенсивности составил 56 мкВт/см² для получения значительного нелинейного отклика и низкого энергопотребления в 69 фДж.
Каждый пиксел состоит из независимого 2D-TPT в качестве фотозатвора и ЖК-слоя, выполняющего одновременно функции нагрузочного резистора и оптического модулятора, образуя оптоэлектронный нейрон. Внутреннее фотопроводящее усиление позволяет значительно изменять сопротивление TPT при слабом освещении (0,1–10 МВт/см²). Контролируемое и оптимизируемое согласование сопротивлений TPT и LC-слоя преобразует изменение сопротивления в значительное изменение падения напряжения на LC-слое, что обеспечивает сильное нелинейное поведение LC-модуляторов. Эта гетерогенно интегрированная архитектура позволяет независимо оптимизировать модули TPT и LC для достижения желаемых показателей, преодолевая ограничения, присущие фотохромным или фоторефрактивным материалам.
Оптоэлектронная нейронная матрица может отфильтровывать блики с желаемым порогом интенсивности, который можно точно настроить электронным способом, работая в широком видимом спектре быстрее, чем обычная частота кадров видео. Устройство обеспечивает блокировку интенсивных бликов, позволяя наблюдать объекты с более низкой интенсивностью в поле изображения. Кстати, для создания прозрачных транзисторов была использована прямая лазерная печать MoS2 чернилами. Это новая технология производства приборов гибкой и печатной электроники.
Если вам интересны применения новых технологий гибкой электроники, вопросы обнаружения и распознавания слабоконтрастных или замаскированных объектов, устранения искажения изображений в системах технического зрения, обязательно примите участие в работе секции «Системы тепловидения, системы наведения, приборы ночного видения» XXVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Она пройдет с 29 по 31 мая в Государственном научном центре РФ НПО «Орион» холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Комментарии читателей
