Инфракрасные многоэлементные матрицы с глубоким охлаждением

В тепловизионных системах первого поколения для формирования тепловизионного кадра цели и окружающей цель местности использовались линейки датчиков ИК – излучения в режиме последовательного сканирования этой наблюдаемой местности.

Режим последовательного сканирования энергетически невыгоден из-за относительно малого времени экспозиции отдельных участков наблюдаемой сцены при формировании результирующего тепловизионного кадра.

«Смотрящая» тепловизионная система по сравнению со сканирующей по крайней мере на порядок снижает минимальный разрешаемый температурный контраст в наблюдаемой сцене при условии, что неоднородность параметров чувствительных детекторов ячеек матрицы вместе с системой обработки сигналов не превышает 0,1%.

Естественно, что существенное увеличение числа преобразователей «излучение-сигнал», чувствительный слой которых должен иметь глубокое охлаждение, резко увеличивает стоимость подобных матриц.

Усиливаются требования к электронной обработке сигналов в подобных матрицах, так как большое количество элементов усиливает отрицательное влияние неоднородностей отдельных датчиков на качество формируемого изображения.

Кроме того, увеличивается вероятность выхода из строя отдельных чувствительных каналов, что требует при обработке компенсации сигналов неработающих ячеек.

Возрастают требования к коэффициенту заполнения матриц. Площадь чувствительных ячеек должна быть уменьшена по сравнению с линейками датчиков.

Блок-схема охлаждаемой ИК – матрицы с электронной обработкой сигналов приведена на рис. 5.9 [10, 11, 12].

		Тепло
		Холод

Рис.5.9

Здесь 1 – детекторная матрица;

2 – предусилители;

3 – мультиплексор;

4 – аналоговый корректор неоднородности сигналов ячеек;

5 – аналого – цифровой преобразователь;

6 – цифровой корректор неоднородностей;

7 – корректор неработающих ячеек;

8 – формирователь изображения;

9 – дисплей;

10 – цифровой выход.

Фототок каждого чувствительного элемента детекторной матрицы 1 усиливается буферным предусилителем 2 и накапливается в течение тепловизионного кадра в интеграторе (емкости) мультиплексора 3. Эти элементы матрицы изготавливают в интегральном исполнении в одном блоке и размещают для охлаждения в криостате. Далее выполняется компьютерная обработка сигналов, которые сначала направляются в неохлажденную аналоговую схему обработки 4, где происходит предварительная коррекция неоднородности чувствительности фонового и темнового токов ячеек матрицы. Затем, аналоговые сигналы преобразуются в цифровые 5 и поступают в цифровую схему обработки 6, в которой неоднородности ячеек корректируются с точностью 0,1%. После этого сигналы в блоке формирования изображения подвергаются специальной цифровой обработке для подчеркивания отдельных малых деталей наблюдаемой сцены, выравнивают распределение яркости в ТП – изображении и т.д. При цифровой обработке возможна более точная компенсация неработающих ячеек.

На выходе информация выводится на тепловизионный экран 9, а также выдается потребителю в цифровой форме 10.

При этих условиях эквивалентная шуму разность температур матричного приемника ИК – излучения может составлять 0,01…0,05 ºК.

В качестве примера многоэлементных охлаждаемых матриц рассмотрим матрицы на основе теллурида кадмия – ртути (HgCdTe, КРТ), антимонида индия (JnSb), силицида платины PtSi[10,11,12].

Многоэлементные матрицы на основе КРТ выпускаются для спектрального диапазона 3…5 мкм и 8…14 мкм.

Типовой формат матриц 32х32, 256х256; 640х480 элементов. Работоспособность ячеек более 98%. Неоднородность фотоответа ячеек матрицы не превышает 3…4%. Квантовая эффективность чувствительных элементов около 60%, шаг ячейки – 40 мкм в матрицах 256х256 и 27мкм – в матрицах 640х480 элементов [11].

Обнаружительная способность более 5∙10¹¹ см∙Гц^1/2Вт^-1.

Эквивалентная шуму разность температур около 0,05…0,01ºК.

Характерной особенностью матриц, работающих в дальнем ИК – диапазоне, является их способность видеть сквозь пыль и дым поля боя.

Матрицы на основе антимонида индия работают в среднем ИК – диапазоне.

Типичный формат матриц 128х128 элементов. Размер ячеек 40х40 мкм. Шаг ячеек – 50 мкм.

Обнаружительная способность более 4∙10¹¹ см∙Гц^1/2Вт^-1.

Эквивалентная шуму разность температур 0,05…0,01 ºК.

Динамичный диапазон - 6∙10⁴.

Однородность чувствительности – 2 %.

Квантовая эффективность - 80%.

Характерной особенностью матриц являются низкий уровень шума, большой динамический диапазон, относительная дешевизна, большой квантовый выход.

В настоящее время 80% инфракрасных систем специального назначения используют на преобразователи «излучение-сигнал», выполненные на основе силицида платины [13]. Матрицы из детекторов на основе PtSi имеют большую однородность фотоотклика, высокую плотность ячеек. Для них применима отработанная технология больших интегральных схем. Стоимость их минимальна. Однако для подобных чувствительных элементов характерна низкая квантовая эффективность, которая уменьшается с ростом длины волны.

Основные характеристики матриц из силицида платины:

В настоящее время, несмотря на малую квантовую эффективность, матрицы из силицида платины заполняют существенную нишу в обеспечении разработчиков специальных ИК – систем матрицами большого формата. Это положение сохранится до тех пор, пока матрицы на основе КРТ и антимонида индия с высокой квантовой эффективностью не станут более доступными по стоимости. Пока стоимость матриц на основе PtSi не менее чем в четыре раза дешевле матриц, выполненных на основе других чувствительных элементов.