Многоэлементные приемники излучения

Многоэлементные приемники излучения можно разделить на:

- - приемники с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов;

- - приемники с внутренними электрическими связями.

Приемник первого типа представляет собой набор отдельных одноэлементных приемников, обычно изготовляемых на единой подложке и часто имеющих самостоятельные каналы предварительного усиления, а иногда и более сложной первичной обработки сигнала. Такие приемники при большом числе элементов, к сожалению, пока еще имеют увеличенные габаритные размеры и большое число выводов.

При интегральном исполнении приемников второго типа реализуется гораздо большее число каналов, но взаимовлияние и разброс параметров отдельных элементов, наличие коммутационных переходных процессов и утечек по токоведущим шинам и подложкам и ряд других недостатков, например, ограниченный диапазон спектральной чувствительности, заметно ограничивают или усложняют их применение.

Очень важно, что приемники первого типа позволяют осуществить произвольную координатную выборку отдельных элементов. Однако на сегодня они уступают ПИ второго типа по числу этих элементов (и по пространственному разрешению), динамическому диапазону амплитуд принимаемых сигналов и по уровню шумов коммутации. Для повышения пространственного разрешения ПИ первого типа (до сотых долей размера одного элемента приемника) приходится принимать специальные меры.

Простейшим приемником первого типа является двухплощадочный (разрезной) приемник, состоящий из двух частей, разделенных небольшим промежутком, который играет роль нулевой точки координатной характеристики. Площадки обычно включаются по дифференциальной (разностной) схеме. Хотя обе площадки такого приемника изготовляются обычно в совершенно одинаковых условиях или вырезаются из одной заготовки, полностью устранить разброс их чувствительностей не удается, т.е. и здесь отмечается дрейф нуля при изменении окружающих условий или при длительной эксплуатации приемника.

Область координатной характеристики двухплощадочного приемника, в которой выходной сигнал изменяется от минимума, соответствующего уровню шума, до максимума, когда изображение излучателя полностью переходит на одну из площадок, определяется размером изображения, а также шириной разделительного промежутка. Очевидно, что линейность и крутизна характеристики также зависят от параметров изображения — формы и закона распределения освещенности.

Достоинства двухплощадочных ПИ:

- - большая крутизна,

- - малый дрейф нуля,

-- высокое быстродействие.

К их недостаткам следует отнести сравнительно небольшой линейный участок координатной характеристики, а главное, зависимость крутизны этой характеристики от многих параметров (формы, размера, ориентации изображения излучателя, закона распределения освещенности и др.).

Помимо однокоординатных мозаичных приемников, измеряющих рассогласования вдоль одной из осей координат, имеются и двухкоординатные приемники. Простейшим из них является координатный разрезной фотодиод, представляющий собой пластину полупроводника с p-n-переходом, разделенную на четыре части с промежутками порядка 0,05...0,1 мм. Размеры отдельных площадок таких КПИ достигают нескольких миллиметров, а крутизна координатной характеристики — 0,1...0,5 В/(мм×мВт). К каждой из частей подведены токосъемные контакты.

В ряде случаев отдельные элементы чувствительного слоя используются не для образования полезного сигнала, а для компенсации влияния переменных внешних условий (температуры, давления, влажности, уровня фоновой освещенности и т. п.).

При использовании двух- и четырехплощадочных КПИ в ОЭП, предназначенных для точного наведения на излучающий объект, часто возникает задача: компенсировать влияние изменяющейся освещенности чувствительных площадок на крутизну координатной характеристики ОЭП, а следовательно, и на точность наведения. Известно несколько способов уменьшения этого влияния.

Одним из таких способов для КПИ, состоящего из двух элементов — фотодиодов, является последовательное включение фотодиодов в фотогальваническом режиме. При этом крутизна координатной характеристики КПИ в области малых смещений изображения с линии раздела чувствительных площадок не зависит от освещенности изображения, однако чувствительность такого КПИ низка.

Известны схемы КПИ с параллельным включением фотодиодов в фотогальваническом режиме, одна из которых позволяет заметно уменьшить изменение крутизны координатной характеристики КПИ в заданном диапазоне изменения освещенности изображения, а вторая обеспечивает получение сигнала, пропорционального освещенности, в цепях управления усилителем, работающим совместно с КПИ.

Распространенным способом стабилизации координатной характеристики является использование дифференциальных (суммарно -разностных) схем включения, когда смещение изображения, пропорциональное разности сигналов, снимаемых с площадок КПИ, берется в относительной мере как отношение этой разности к их сумме, которая пропорциональна всему потоку, образующему изображение (см. ниже § 7.3, а также [3]).

В последние годы для работы в составе различных ОЭП были разработаны многоэлементные двумерные КПИ с числом элементов от нескольких десятков до нескольких тысяч. В освоенных промышленностью КПИ размеры отдельных элементов обычно составляют несколько десятков микрометров при таких же примерно размерах промежутков между элементами.

Для ОЭП, работающих в ИК области спектра, наиболее перспективными представляются многоэлементные фотодиодные приемники из HgCdTe, InSb и PtSi, а также фоторезисторные матрицы из легированного кремния, PbSe и PbS.

Анализ большого числа зарубежных источников позволил составить сводную таблицу основных параметров некоторых уже освоенных промышленностью приемников этих типов (табл. 6.6). Сообщается о разработке и появлении в ближайшие годы линейных приемников (линеек) из HgCdTe, охлаждаемых до 80 K, с числом элементов до 960 и фотодиодных матриц из этого материала с числом элементов до 480 х 640 и размерами квадратных элементов от 20 мкм до 1 мм. Эти приемники работают в широком спектральном диапазоне (до 14 мкм).

Матричные приемники на базе PtSi, имеют меньший спектральный рабочий диапазон (до 5 мкм), но обладают высокой однородностью параметров отдельных элементов. Имеются сообщения о создании таких фотоматриц с числом элементов 128x128, 256x256, 512x512, 480x640, 2048x16 и других, а также линеек с числом элементов до 4096.

Линейные фотовольтаические приемники из InSb, имеющие длинноволновую границу спектральной чувствительности 5,5 мкм (при охлаждении до 80 К), имеют число элементов 64...128, а матричные — до 640x480.

Таблица 6.6

Усилия разработчиков таких приемников направлены на расширение спектрального диапазона их чувствительности, увеличение динамического диапазона рабочих освещенностей и достижение высокой степени однородности чувствительности отдельных элементов. В табл. 6.7 приведены данные о достигнутых значениях этой неоднородности
 в зависимости от площади чувствительного слоя одного элемента А и допуска на размер элемента d

При выборе многоэлементного приемника следует учитывать не только однородность параметров его отдельных элементов, но и чувствительность (квантовую эффективность h_е) фотослоя. Вследствие гораздо большей чувствительности приемники на основе InSb и HgCdTe (h_е³50%) часто предпочтительнее более однородных структур на базе PtSi (h_е»1%), особенно при работе на длинах волн свыше 4 мкм.

Нужно отметить, что высокая квантовая эффективность, которой обладает ряд материалов, из которых изготовляются приемники (обычно фотовольтаические), усложняет требования к системе съема и обработки сигналов. Это связано с быстрым насыщением считывающих устройств, что на практике вынуждает повышать скорость считывания, т. е. увеличивать частоту кадров, чему часто препятствует инерционность приемника, а иногда приходится уменьшать спектральный диапазон работы системы Dl.

Наиболее распространенными многоэлементными ПИ с внутренними электрическими связями являются фотоприемники на базе приборов с зарядовой связью [9, 20, 22, 30, 35]. Приборами с зарядовой связью (ПЗС) принято называть полупроводниковые устройства, в которых при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение пакетовых зарядов вдоль полупроводниковой подложки. Эти устройства состоят из ряда МДП-структур, в которых металлические электроды образуют регулярную систему с достаточно малым шагом — расстоянием между электродами.

Рис. 6.12. Трехфазная структура ПЗС (принцип работы)

Хорошо известны трехфазные структуры ПЗС (рис. 6.12). Один элемент образуется тремя электродами, каждый из которых подключен к своей токопроводящей фазной шине 1... 3. Подложкой является полупроводниковая пластина или пленка, на которую нанесены микроостровки окисла, покрытые слоем металла, играющего роль электрода.

Пусть отрицательный (в случае n-подложки) потенциал подан на шину 2 в какой-то начальный момент времени t₀. Накопление зарядов под электродами этой шины в результате действия локальной освещенности по истечении времени накопления заканчивается, и высокий потенциал с шины 2 снимается и подается на шину 3 (момент t₁). Заряды перетекут в потенциальную яму под электроды шины 3 одновременно во всех элементах. К электродам шины 1 они не потекут, так как их потенциал в момент t₁ остается низким. В момент времени t₂ высокий потенциал с электродов шины 3 подается на электроды шины 1, и все заряды одновременно переносятся вправо на один шаг (на один электрод). Далее процесс повторяется.

Таким образом, линейка фото-ПЗС, в которой под системой прозрачных в рабочем диапазоне спектра электродов при освещении возникает внутренний фотоэффект, позволяет преобразовать распределение освещенности в зарядовые пакеты носителей, хранить их и создавать выходной видеосигнал при последовательной смене потенциалов на фазных шинах.

Помимо трехфазной структуры ПЗС разработаны одно-, двух- и четырехфазные ПЗС.

Уровень шума в фото-ПЗС обычно определяется флуктуациями числа электронов в зарядовых пакетах, вызванными фотонным шумом сигнала, дробовым шумом темнового тока, шумами захвата носителей в структуре ПЗС, шумом фонового заряда и др. Охлаждение до -(20...40) °С и другие методы снижения шумов позволяют уменьшить число шумовых электронов до 15...30 в полосе частот до 1 МГц и обеспечить работу ПИ при перепаде освещенностей 10⁴...10⁵.

Приемники на базе ПЗС помимо общепринятых параметров и характеристик описываются рядом специфичных, к которым относятся:

- - частотно-контрастная (пространственно-частотная) характеристика, определяющая качество передачи контраста изображения в виде функции от пространственной частоты проецируемой на ПЗС штриховой миры;

- - амплитуды минимальных и максимальных управляющих напряжений хранения и запирания;

- - минимальная f_min и максимальная f_max тактовые частоты (f_min=0,l...l кГц, f_max=2...20 МГц);

- - время хранения информации, достигающее десятых долей секунды, и ряд других [9].

Разрешающая способность ПЗС снижается при больших засветках вследствие переполнения потенциальных ям и диффузии носителей, генерируемых в нижней зоне подложки. Эти явления вызывают растекание зарядов, т.е. появление паразитных зарядов в соседних чувствительных элементах, и смаз изображения. Кроме того, на качество работы фото-ПЗС существенное влияние оказывают различия в значениях чувствительности, темнового тока и геометрических размерах различных элементов, называемые геометрическим шумом. Эти вариации составляют (3...5) % и даже ± (10... 25)%.

Достоинства ПЗС:

- - высокая разрешающая способность;

- - малое потребление мощности, затрачиваемой на обработку информации;

- - отсутствие необходимости создавать большое число p-n-переходов и контактов к ним, а следовательно, хорошая технологичность и надежность;

- - высокое быстродействие, характеризуемое частотами развертки порядка мегагерц и более;

- - возможность обрабатывать и кодировать изображение непосредственно в самом формирователе сигнала, так как на вход ПЗС информация подается в аналоговой форме, а управление ПЗС осуществляется цифровыми методами, и сигнал на выходе дискретен.

Недостатки (основные) ПЗС:

- - неоднородность фотоэлектрических свойств, прежде всего чувствительности отдельных элементов, достигающая часто десятков процентов;

- - ограниченный спектральный рабочий диапазон (0,5...1,1 мкм и лишь у некоторых до 3...5 мкм);

- - невозможность произвольной выборки сигнала с любого элемента ПЗС, т.е. строго определенная последовательность "опроса" элементов приемника;

- - выход из строя всей строки развертки при потере чувствительности (например, «прожоге» при воздействии мощного излучения) одного из элементов этой строки.

Параметры некоторых отечественных и зарубежных фотоматриц на основе ПЗС приведены в табл. 6.8 и 6.9.

От ряда недостатков ПЗС свободны приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ) — полупроводниковые ПИ с поверхностным каналом, в котором для считывания и обработки сигналов используется инжекция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек [9]. Ячейки ПЗИ аналогичны ПЗС, но считывание заряда в ПЗИ идет в той же ячейке, где он был создан, а инжекция заряда в полупроводниковую подложку служит для освобождения фоточувствительных ячеек от ранее накопленного заряда. Эти ПИ могут работать как развертывающие ПИ с координатной адресацией (произвольной выборкой изображения). В настоящее время известно лишь очень небольшое количество ПИ на базе ПЗИ.

Для работы в ИК диапазоне спектра создаются гибридные мозаичные ПИ, в которых фоточувствительный слой выполняется в виде мозаики из отдельных фотодиодов или фоторезисторов, соединенных с ПЗС-ячейками, с помощью которых осуществляется считывание сигнала, а также его первичная обработка, например, временная задержка и интегрирование (см. § 8.1 и § 11.9).

В таких гибридных ПИ, чувствительные элементы которых изготовляются из PbSnTe и HgCdTe, достигнута квантовая эффективность 50...60% (для l=4,5 мкм при температуре фона 80...100 K) и D^*=3×10¹² Вт^-1см×Гц^1/2.

Прогресс в области создания ПЗС-матриц видимого диапазона (имеются сообщения о создании фото-ПЗС с числом элементов до 2048x2048 и даже 4096x4096 при размерах одного элемента 9x9 мкм и менее) позволяет надеяться, что в ближайшем будущем будут созданы гибридные структуры с аналогичными параметрами для ИК диапазона.

Специфичны шумы многоэлементных приемников излучения (МПИ). Наряду с обычными шумами, присущими одноэлементным приемникам, в МПИ имеют место шумы, определяемые физическими принципами их работы, а также способами считывания сигнала, образуемого на элементах МПИ. К основным составляющим шума МПИ обычно относят:

- - радиационный фоновый шум;

- - так называемый геометрический шум, определяемый неоднородностью параметров отдельных элементов МПИ;

- - тепловой шум, вызываемый теми же, что и в одноплощадных приемниках, явлениями термоэмиссии носителей;

- - неустранимый минимальный уровень шума — шумовой «пьедестал» (floor noise);

- - шум вследствие неполной эффективности переноса зарядов в ПЗС-фотоприемниках;

- - шум выходной цепи (цепи считывания) МПИ.

Очень часто все эти составляющие выражают числом электронов («шумовых» электронов), приходящихся на один элемент (пиксель) МПИ.

Дисперсию радиационного фонового шума МПИ можно представить как

где е — заряд электрона; I_f — ток, вызываемый потоком, приходящим от «видимого» МПИ фона с некоторой усредненной яркостью или температурой; Df_и — информационная полоса пропускания частот, Df_и=N_xN _y /(2T_к), N_x,N_y — количество элементов МПИ по горизонта ли (N_x) и по вертикали (N_y), Т_к — время кадра (период сканирования; см. § 8.2).

Числитель этого выражения полностью аналогичен выражению для дисперсии дробового шума. Появление в знаменателе произведения коэффициентов h_cx и h_cy (КПД сканирования по осям х и у — см. § 8.2) объясняется тем, что накопление сигнала и шумов в МПИ идет не за все время Т_к, а только лишь за его часть, т.е. имеют место потери сигнала.

Большое значение имеет геометрический шум, возникающий из-за различий спектральной чувствительности, темновых токов и других параметров и характеристик отдельных элементов МПИ. По своей сути это пространственно изменяющийся шум, но он превращается во временной шум, когда осуществляется считывание сигналов с отдельных элементов МПИ (электронное сканирование). Бороться с таким видом шума достаточно сложно. Для этого нужно совершенствовать технологию производства МПИ, чистоту материалов, из которых изготовляется приемник. Для борьбы с ним в последние годы успешно используют методы электронной коррекции (одноточечной, двухточечной, нелинейной), зачастую реализуемые непосредственно в процессе работы МПИ, т. е. в реальном масштабе времени. Иногда с целью уменьшения геометрического шума используют осреднение сигналов, снимаемых с нескольких соседних элементов в процессе принудительного сканирования изображения (колебания изображения).

Для МПИ, работающих в средней и длинноволновой ИК областях спектра, обычно считают, что источником сигнала, который создает фототок, подвергающийся паразитной модуляции из-за неоднородности, является излучение фона, т.е. рассматривают пороговый режим работы МПИ.

Материал фотослоя, технология изготовления приемника определяют некоторый минимальный уровень шума, называемый также шумовым пьедесталом. Среднее квадратическое значение этого уровня для современных зарубежных МПИ составляет 100—300 электронов на один элемент. Эта составляющая шума обычно учитывается при приеме слабых сигналов.

Для распространенных ПЗС-фотоприемников наряду с другими составляющими шума необходимо учитывать неэффективность переноса носителей заряда между ячейками ПЗС. Среднее квадратическое значение эквивалентного шумового заряда (в числе электронов) определяется как

где e — коэффициент эффективности переноса заряда от ячейки к ячейке; т - число ячеек ПЗС, проходимых зарядовым пакетом; n_с и n_ф — числа фотоэлектронов, составляющих полезный сигнал и фон соответственно.

Иногда при расчетах удобно представлять шумы МПИ в фотонной (квантовой) форме, т.е. в виде флуктуаций Dn числа эффективных фотонов, попадающих на приемник. Считая основные составляющие шума (радиационный или фотонный шум Dn_р, тепловой шум Dn_т, шумовой пьедестал Dn_п и шум вследствие неэффективности переноса для ПЗС) некоррелированными, можно записать следующее выражение для среднего квадратического шума на длине волны l

где

где h_еl — квантовая эффективность приемника; i_ol — спектральный коэффициент пропускания оптической системы; А_вх — площадь входного зрачка оптической системы; i_d — время пребывания изображения излучателя на приемнике; L_вхl — приведенная ко входному зрачку яркость излучателя, определяемая числом фотонов, приходящих на приемник в единицу времени; DW— мгновенное угловое поле приемника;

е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — температура чувствительного слоя приемника; С и R — емкость и сопротивление приемника.

При приеме слабых сигналов в качестве излучателя обычно принимают фон, находящийся в угловом поле DW. Для расчета в каком-то спектральном диапазоне Dn_мпи либо проводят интегрирование приведенных выше формул — функций l, либо берут какое-то среднее значение l.

Глава 7. АНАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ