10 Blip 10

PbSe(196К)

9

10

PbS(77К)

lnSb(77К)

GeAu(77К)

_HgCdTe(77К) SiGa(4,2К)

PbSnTe(77К)

PbSe(300К)

8

¹⁰⁰ 12 3 4 5 67 8 9 1011121314 15161718

Длинаволны,мкм

Рис.7.41.СпектральныезависимостиобнаружительнойспособностиразличныхФП:

вскобках–температура,К

изготовитьФПсобнаружительнойспособностьюблизкойкхаракте-ристикамидеальногоприемника.Всоответствиистеориейобнаружи-

тельнаяспособностьфоторезисторовв 2разменьше,чемуфото-вольтаическогоприемника.

НовыеразработкивобластиФПсвязаныссозданиеммногоэле-

ментныхфотоприемныхустройств–линееки вбольшейстепени–матрицФП.

Дляболееподробногоизучениярассмотренныхвглаве7вопросовавторырекомендуютознакомитьсясрекомендованнойлитературой.

ЛИТЕРАТУРА

1. ПикусГ.Е.Основытеорииполупроводниковыхприборов/Г.Е.Пи-кус.– М. :Физматгиз,1965.– 448с.

2. Техникаоптическойсвязи.Фотоприемники/подред.У.Тсанга.– М. :Мир, 1988.–528с.

3. МоссТ.,БаррелГ.,ЭллисБ.Полупроводниковаяоптоэлектроника.–М. :Мир,1976.–432с.

4. РжановА.В.Электронныепроцессынаповерхностиполупроводни-ков.– М. :Наука,1971.– 480с.

5. ОвсюкВ.Н.Электронныепроцессывполупроводникахсобластямипространственногозаряда/Новосибирск:Наука,1984.– 256с.

6. Полупроводниковыеформирователисигналовизображения/подред.П.Йесперса,Ф.ВандеВиллеи М.Уайта.– М. :Мир,1979.–576с.

7. Приборысзарядовойсвязью/подред.Д.Ф.Бпарби.–М.:Мир,

1982.– 240с.

8. СекенК.,ТомпсетМ.Приборыспереносомзаряда.–М.:Мир,1978.– 327с.

ГЛАВА8

ОСНОВНЫЕНАПРАВЛЕНИЯРАЗВИТИЯТЕХНИКИ

РЕГИСТРАЦИИОПТИЧЕСКОГОИЗЛУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Вэтойглавебудутрассмотреныосновныенаправленияразвитиятехникирегистрацииоптическогоизлучениянабазетехпринциповиприемников,которыеобсуждалисьвпредыдущихглавах.Преждевсе-гоопределимтецели,которыемыхотелибыдостичьспомощьюпри-емниковизлучения.Этицелимногочисленныиразнообразны,начинаяспростейшейзадачи–определенияналичия(илиотсутствия)излуче-ния,егоинтенсивности,спектральногосостава;доболеесложных–определенияформыобъекта,егокоординатвпространстве,скоростиит.д.,и,наконец,–адекватноговоспроизведенияобликаобъектанамо-ниторах.Другимсловами,цельюпримененияприемниковизлученияявляетсяорганизациятого,чтоназываетсятехническимзрением–ана-логомзрениячеловекавнедоступныхдляглазаспектральныхдиапа-зонахиобластяхпространства.

1. Целипримененияоптическихсистемиихстроение

Очевидно,чтодостижениеэтихцелейнеможетбытьдостигнутоприиспользованиитолькоприемниковизлученияитребуетвведениядругихоптических,механическихиэлектронныхэлементов,чтовце-

ломобразуетоптико-электроннуюсистему(ОЭС).Такиесистемыимеютдостаточносложноеустройство[8.1,8.2].Помимоусиленияпотокаизлучения,ониимеютиряддругихназначений,например,гео-метрическуюиспектральнуюфильтрациюпотокаизлучения(диа-фрагмы,фильтры),пространственноесканированиепотокаизлучения,котороеоченьмногообразносамопосебе–вращающиесязеркалаипризмы,вращающиесяинеподвижныерастры,системыобработкиинформациииисполнительныемеханизмы.Оптико-электроннымина-зываютприборы(системы),спомощьюкоторыхсведенияоразмере,форме,положениииэнергетическомсостояниитела,содержащиесявпотокеизлучения,извлекаютсяпутемегоспециальнойобработкиипреобразованиявэлектрическийсигнал,которыйтакжеобрабатывает-сясцельювыделенияизшумовипоследующейрегистрации.

ВобщемслучаеОЭСхарактеризуются:

1. полемобзора–пространственнымугломсвершинойвцентревходногозрачкаоптическойсистемы,впределахкоторогообъектна-блюденияможетбытьобнаруженОЭС.Полеобзоразадаетсялиболи-нейнымугломрастворасоответствующегопространственногоугла(присимметричномполеобзора),либопроизведениемзначенийли-нейныхугловвдвухвзаимноперпендикулярныхнаправлениях,на-пример,3030,2525;

2. мгновеннымполемзрения–пространственнымугломсверши-нойвцентревходногозрачкаоптическойсистемы,впределахкоторо-гообъектможетбытьобнаруженвданныймоментвремени;

3. временемобзора–временемпросмотраполяобзора,илиобрат-

нойвеличиной–числомкадроввединицувремени;

4. разрешающейспособностью–наименьшимугломмеждудвумяточечнымиисточникамиизлучения,которыемогутбытьраздельно

обнаруженыприбором;

5. разрешающейсилой–величиной,обратнойразрешающейспо-

собности;

6. порогомчувствительности–наименьшимпотокомизлучения

илинаименьшейосвещенностью,придействиикоторыхнавходнойзрачокоптическойсистемыОЭСобеспечиваетсязаданнаявероятностьобнаруженияилиточностьвоспроизведенияизображенияцели.Втеп-ловизионныхсистемахпорогчувствительностивыражаетсяразностьютемпературдвухабсолютночерныхтел(АЧТ),которыеудаетсязаре-гистрировать.

ОЭСможноклассифицироватьпообластиспектральнойчувстви-тельности,способуобнаружения,решаемымзадачамиспособуобра-боткиинформации.

Поспектральнойчувствительностиприемникиделятсянаспектральныеиинтегральные.Интегральнымсчитаютприемник,ра-ботающийвнутриодногоспектральногодиапазона,например,видимо-го–0,35…0,78мкмилиинфракрасного(ИК)–3…5мкм.Еслиприем-никиуказанныхтиповустановленысовместно,например,впомехозащищеннойголовкесамонаведенияракетытипа«Стингер»,тоговорятужеомногоспектральнойОЭС.Подспектральнымипонима-ютОЭС,работающиевсравнительноузкойполоседлинволн,хотясамопонятиеузости–весьмаотносительно.Спектральныеприемникиделят[8.4]:

• наФПультрафиолетовойобласти–0,01...0,38мкм;

• наФПвидимойобласти–0,38…0,78мкм;

• наФПИК-области–0,78мкм…1мм.

КИК-системамотносятся,например,приборыночноговиденияисоответствующиеприцелы,работающиенадлиневолныоколо1,4мкм.Вместестем,работатакихприбороввозможнатольковусло-вияххотяиоченьслабой,ноподсветки,например,звезд.ДиапазонсобственнотепловизионныхИКОЭСначинаетсяпримернос3мкм.Этохорошодемонстрируеттепловизионнаякамеранаосновеобъем-ногоInAs,окоторойбудетсказанониже.

ПоспособуобнаруженияобъектанаблюденияОЭСделятся:

• наактивные–сиспользованиемискусственнойподсветки,на-пример,лазернаялокация,аналогичнаярадиолокации;

• напассивные–сиспользованиемсобственногоизлученияцелиилиестественнойподсветкиокружающейсреды.

ВернемсякспектральнымхарактеристикамОЭС.Помимовидимо-

годиапазона,вближнейИК-областиимеетсяещедвеобластисмалымпоглощениемизлученияватмосфере,такназываемыеокнапрозрачно-сти,расположенныевдиапазонедлинволнприблизительноот2до5мкмиот8до12мкм.ИменнопоэтомукэтимдиапазонампроявляютнаибольшийинтереспотенциальныепотребителиОЭС.Причемболеедлинноволновойдиапазоннаблюдения(8…12мкм)представляетсяболеепредпочтительным,есливажнадальностьнаблюдениявуслови-яхограниченнойвидимости–втумане,дымуит.п.,чтообусловленоменьшимрассеяниемдлинноволновогоизлученияначастицахтумана

ит.д.ЭтотдиапазонвключаетвсебятакжедлинуволныизлученияСО_{2лазеров}–10,6мкм,которыеиспользуютсякакмощныеинеболь-шиеповесуисточникиизлучениядлялазернойлокацииисистемна-ведения.Диапазонсвыше8мкмтакжегораздопредпочтительнейпринаблюдении,например,заработойдвигателялетящейракеты,факелкоторойсильноэкранируетсяпродуктамисгорания.Спектральныйдиапазонболее20мкмиспользуетсядлянаблюденийвкосмическом(втомчислевоколоземном)пространстве,гдеатмосфераотсутствуетиизлучениенепоглощается.

Вэтойкнигемынеобсуждаемпроблему,связаннуюсодновре-меннымпопаданиемнаФПизлученияобъектаиокружающегоегофо-

на,заметимтолько,чтоналичиефона,аимреальновыступаетизлуче-ниеЗемли,ограничиваетспособностьприемниковобнаруживатьизлучениенизкотемпературныхобъектов.

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕПРИЕМНИКИИЗЛУЧЕНИЯОБЛАСТИПРИМЕНЕНИЯИПРЕИМУЩЕСТВА

Впринципебольшинствозадачпообнаружениюизлучающегообъекта,стоящихпередОЭС,можнорешитьсприменениемодиноч-ногоприемникаизлучения.Однаконапрактикередкоприходитсяиметьделосодиночнойнеподвижнойточечнойцельюсизвестнымикоординатами.Вобщемслучаецельнадонайти,фиксироватьеепере-мещение,определитьформуиспектральныйсоставизлучения.Оче-видно,чтоприиспользованииодиночногоприемникасканирование(т.е.последовательный«осмотр»приемникомпространства)необхо-димо,аэтотребуетусложненияОЭСзасчетвведениямеханической(илидругой)системысканирования.Ужеодноэтообстоятельствоприводитктому,чтодлясозданиятелевизионнойкартиныилителеви-зионногокадравсовременныхсистемах,например,видеокамерах,ис-пользуютсовокупностьприемниковизлучения,расположенныхвпра-вильномгеометрическомпорядке–матрицыФПсразмерностью,равнойразмерностителевизионногокадра.ТогдакаждыйотдельныйФП,входящийвсоставматрицы,вданныймоментвременипринимаетизлучениесэлементарассматриваемогообъекта,асчитываниесигналасовсехэлементовпозволяетсоздатьизображениеобъекта.Дажеприиспользованииматрицыприемниковизлучениявслучаенеобходимо-стисканированиевсе-такиприменяют–такназываемоепокадровоесканирование,когдапослесозданияодногокадраОЭСпросматривает

соседнееповертикалиилигоризонталиполе.Известно,чтосовремен-ныематрицывидимогодиапазонадлинволндостигаютразмерности10001000элементовиболееилучшиеизних,по-видимому,установ-ленынакосмическихаппаратах.Панорамныеснимки,переданныесповерхностиМарса,содержатвсебедесяткиисотникадровуказанно-горазмера,чтоявляетсярезультатомпокадровогосканирования.Вря-деслучаевпокадровоесканированиеобеспечиваетсязасчетдвижениясамогоаппаратасОЭС.

НоупрощениеОЭСприиспользованииматрицыФП–этотолькооднасторонадела.Неменееважноувеличениеотношениясигнал/шум

приодинаковомвремениформированиякадра.Рассмотримэтонапримере.Пустьнеобходимопросмотретьполесчисломэлементовразложения10²10²⁼10000иполучитьизображениевтелевизионномстандарте,т.е.25кадроввсекунду.ТогдавремяпросмотраодногоэлементаразложенияприиспользованииодноэлементногоФПсоста-вит410^–6с,априиспользованииматрицысчисломФП,равнымчис-луэлементовразложения,–410^–2с.

Вглаве6былиприведенырасчетирисунок,показывающий,какнарастаетконцентрацияизбыточныхносителейзарядапослевключения

1

0,8

U/U₀

0,6

0,4

0,2

0t₁

2 4t₂

t/τ

6 8 10

Рис.8.1.ЗависимостьнарастаниясигналаФПотвремени:

времяпросмотраодногоэлементаизображенияприиспользованииодноэлементногоФП–t₁;приис-пользованииматрицы–t₂;масштабповременинесоблюден

освещения.Точнотакжебудетзависетьотвремениисигналнавходеусилительноготракта.ЗависимостьсигналаФП,нормированногонамаксимальноезначениеэтогосигналаприданномуровнеосвещенно-сти,отвремени,нормированногоквременижизнинеосновныхноси-телейзаряда(временирелаксациифотосигнала),показананарис.8.1.Вернемсякрассмотренномупримеру.ПриформированиикадраоднимФПвремя«рассматривания»каждогоэлементаизображенияравноt₁.ПрииспользованииматрицыФПкаждыйФПматрицы«рассматрива-ет»свойэлементизображениявтечениевсегокадра.Этовремяt_{2= nt1},гдеn–числоэлементоввматрице.Изрисункаочевидно,чтововто-ромслучаесигналгораздобольше.Таккакчащевсегошумпропор-ционаленкорнюквадратномуизсигнала,тоотношениесигнал/шумвозрастаетпропорциональнокорнюквадратномуизчислаФПвмат-рице.Дляиспользованияэтогопреимуществаиспользуютрежим,ко-торыйбылрассмотренвглаве7икоторыйназываетсярежимомнако-плениязаряда(см.рис.7.27и7.28).Режимнакоплениязарядапозволяеткаждомуфотоприемникуработатьвсевремякадра,участвуявформированииизображения.

Такимобразом,преимуществоматричныхФП,котороедоопреде-

ленногопределаувеличиваетсясростомчислаэлементовматрицы,илиформатаматрицы,обусловливаетогромныйинтерескразработ-камвэтойобласти.

Теперьрассмотримрезультаты,достигнутыевсовременнойфото-электронике.Приэтомнебудемописыватьтолькорекордныерезуль-

таты,ауделимбольшевниманиядостижениямвотечественнойнаукеитехнике.

Изогромногомассиваразработоквэтойобластирассмотримли-нейчатыеиматричныеприемники,чувствительныевдиапазонедо20…25мкм,наосноветвердыхрастворовPb_1–xSn_xTe:In;чувствитель-ныевдиапазоне8…14мкм,наосноветвердыхрастворовCd_1–xHg_xTe;вдиапазоне1…3,2мкм,–наосновеInAs.Взаключениебудутизученыпринципы«оцифровки»сигналаиприборы,отображающиеоптиче-скуюинформацию,т.е.дисплеиразныхтипов.

Кромефотоэлектрическихприемниковизлучения,дляполнотыкартиныбудутрассмотреныболометры–одинизвидовтепловыхпри-емниковизлучения.