УЗЕЛ УСТАНОВКИ УРОВНЯ И СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА РЕГИСТРИРУЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИК МФПУ Российский патент 2016 года по МПК H01L31/02 G01J5/06 

Инфракрасные (ИК) матричные фотоприемные устройства (МФПУ) - изделия, без которых сейчас трудно представить различные системы, контролирующие окружающую среду, нефте- и газопроводы, цементные и другие заводы, системы наблюдения и наведения различного, в том числе военного и специального, применения и т.д.

ИК МФПУ, как правило, включают в свой состав следующие компоненты:

- вакуумированный или газонаполненный корпус с входным окном;

- микрокриогенную систему (МКС), интегрированную с корпусом, внутри которого расположен ее холодный палец;

- светоограничительный охлаждаемый экран (СОЭ) с диафрагмой на торцевой его поверхности, расположенный внутри корпуса;

- охлаждаемый светофильтр (ОСФ), примыкающий к торцевой поверхности СОЭ и перекрывающий диафрагму;

- растр, расположенный внутри СОЭ на холодном пальце МКС;

- кремниевый кристалл схемы считывания (КСС), установленный на растре;

- матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ), расположенную на КСС и скоммутированную с ней поэлементно, с помощью индиевых столбиков.

Вакуумированный или газонаполненный корпус необходим для обеспечения термоизоляции МФЧЭ путем снижения внешних теплопритоков.

Оптическое окно в корпусе служит для обеспечения попадания регистрируемого излучения на МФЧЭ.

МКС применяется для обеспечения заданной рабочей температуры МФЧЭ.

Растр используется для установки и разварки на нем КСС и МФЧЭ.

КСС необходима для считывания и накопления сигналов ФЧЭ, формирования, предварительной обработки и выдачи выходного сигнала МФПУ.

МФЧЭ обеспечивает генерацию фототока (сигнала) под действием падающего на нее излучения.

Назовем СОЭ с ОСФ узлом установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ (далее - СОЭ с ОСФ).

ОСФ обеспечивает заданный спектральный состав облучения МФЧЭ.

СОЭ определяет величину облученности МФЧЭ.

Необходимость использования СОЭ с ОСФ [1] обусловлена следующими обстоятельствами.

ИК МФПУ работают в режиме накопления заряда, когда фототоки, генерируемые ФЧЭ под действием падающего на них излучения, поступают в накопительные емкости в ячейках КСС и накапливаются в них в виде зарядов, в течение заданного промежутка времени, а затем преобразуются в вольтовые сигналы, обрабатываются и считываются с выходов устройства. Величина этих сигналов определяется количеством квантов излучения, падающих на ФЧЭ, и электронов темнового тока. Количество квантов пропорционально величине (площади) охлаждаемой диафрагмы и коэффициенту пропускания светофильтра в заданной полосе длин волн. Расчеты показывают, что при неограниченной величине накопительных емкостей фотоэлектрические параметры ИК МФПУ были бы рекордно высокими. Однако величина накопительной емкости пропорциональна площади ячейки КСС и ограничена. В связи с этим обстоятельством максимальное количество накопленных зарядов (электронов), определяемое величиной емкости накопления, также ограничено. В настоящее время размеры ячейки в ИК МФПУ доходят до 12-15 мкм, что приводит к максимальной величине емкости накопления порядка (2-5)·10⁶ электронов при разумных величинах напряжения их перезарядки. Накопленные заряды преобразуются в пропорциональные выходные вольтовые сигналы ФЧЭ.

Работая в режиме накопления, ИК МФПУ способно регистрировать с помощью ИК объектива тепловизионную картину, в которой выходной сигнал устройства от элементов изображения (величина напряжения) определяется их температурой. Накопление носителей заряда происходит в течение заданного промежутка времени, называемого временем накопления. Это время определяется заданной степенью разряда емкости накопления под действием интегрального сигнала (сумма фототоков и темнового тока) [2]. За время накопления ИК МФПУ формирует и полезный выходной сигнал, определяемый накопленным количеством зарядов, генерированных полезным сигналом.

Характеристики ИК МФПУ определяются величиной отношения полезный сигнал/интегральный шум и будут тем лучше, чем выше будет величина этого отношения [3, 4].

Интегральный шум МФПУ определяется суммой следующих шумов:

- шум накопленных носителей темнового тока ФЧЭ [4, 5];

- шум накопленных носителей, генерированных фоновым излучением, исходящим из пространства в апертуре МФЧЭ [2, 3, 4, 5];

- шум накопленных носителей, генерированных фоновым излучением, исходящим из внешнего пространства вне апертуры МФЧЭ;

- шум накопленных носителей, генерированных излучением входного окна в корпусе [3, 4];

- шум накопленных носителей, генерированных излучением ОСФ [3, 4];

- шум накопленных носителей, генерированных излучением СОЭ [3, 4];

- шум КСС [2, 3, 4].

Все эти шумы являются паразитными. Интегральный шум МФПУ равен корню квадратному из суммы квадратов всех этих шумов. Минимальный регистрируемый полезный сигнал, определяющий качество МФПУ, равен его интегральному шуму.

Рассмотрим возможности снижения компонентов интегрального шума.

Шум носителей темнового тока ФЧЭ не связан с излучениями, а обусловлен конструкцией МФЧЭ. Снизить его можно лишь снижая темновой ток, т.е. снижая рабочую температуру ФЧЭ с помощью МКС. При заданной рабочей температуре он фиксирован.

Шум носителей тока, генерированных фоновым излучением, исходящим из пространства в апертуре МФЧЭ, при заданной диафрагме в СОЭ определяется температурой фона, коэффициентами пропускания входного окна, ОСФ и диафрагмы в СОЭ [3, 4]. Воздействовать на него можно, уменьшая диафрагму, но при этом будет уменьшаться и величина сигнала. Отношение сигнал/шум при этом всегда будет ухудшаться из-за наличия постоянного шума темнового тока ФЧЭ, и шума носителей, генерированных излучением СОЭ.

Шум носителей тока, генерированных излучением входного окна в корпусе МФПУ, близок к шуму фонового излучения, т.к. температура входного окна близка к температуре окружающей среды. Отличие состоит лишь в степени серости этого излучения, определяемой материалом окна. Излучение входного окна проходит сквозь ОСФ, диафрагму и попадает на МФЧЭ. Уменьшение этого шума возможно лишь при уменьшении диафрагмы в СОЭ, но при этом будет уменьшаться величина полезного сигнала и ухудшаться отношение сигнал/шум.

Шумы носителей тока, генерированных излучением ОСФ и излучением СОЭ, определяются температурой этих компонентов, которую можно снизить с помощью МКС. При фиксированной температуре они фиксированы, а при низкой рабочей температуре ФЧЭ, Т_раб≈(70-150) К, малы.

Шум носителей тока, генерированных фоновым излучением, исходящим из пространства вне апертуры МФЧЭ, обусловлен прошедшим сквозь входное окно корпуса, ОСФ и диафрагму в СОЭ излучением, отраженным не менее одного раза от внутренней поверхности СОЭ и попадающим на МФЧЭ. Снижать его можно лишь выбирая нужную конструкцию СОЭ и диафрагмы. Внутренняя поверхность СОЭ с ОСФ имеет высокий коэффициент поглощения излучения (0,85-0,95) и, следовательно, низкий коэффициент отражения. Тогда можно считать величину этого шума довольно низкой в сравнении с шумом носителей тока, генерированных фоновым излучением, исходящим из пространства в апертуре МФЧЭ, и шумом носителей тока, генерированных излучением входного окна в корпусе МФПУ.

Как правило, величину и форму диафрагмы согласуют с выходным зрачком оптической системы, используемой для формирования ИК-изображения в плоскости МФЧЭ [5, 6]. Поэтому форма ее может быть и довольно сложной.

Шум КСС, как и шум темнового тока ФЧЭ, определяется ее конструкцией и фиксирован при заданной рабочей температуре МФЧЭ.

Таким образом, снижение интегрального шума МФПУ, при фиксированной рабочей температуре МФЧЭ и КСС, возможно лишь с помощью СОЭ с ОСФ. Поэтому СОЭ с диафрагмой и ОСФ применяется практически во всех ИК МФПУ.

Настоящее изобретение относится к компонентам матричных фотоприемных устройств (МФПУ), работающих в спектральном диапазоне длин волн выше 2 мкм, а конкретно, к конструкции СОЭ с ОСФ.

СОЭ с ОСФ должен иметь следующие параметры:

- низкая тепловая и физическая масса для быстрого установления заданной рабочей температуры;

- достаточные прочностные качества, обеспечивающие стойкость к внешним механическим воздействиям на МФПУ (синусоидальная и/или случайная вибрация, одиночные и многократные удары и/или виброудары).

Аналогом заявляемого технического решения является МФПУ, содержащее охлаждаемый СОЭ с ОСФ, включающий боковую несущую поверхность и торцевую несущую плоскость, в которой расположена диафрагма, а ОСФ прикреплен к торцевой плоскости и оптически перекрывает диафрагму [Патент США №4862002, МКИ H01L 27/4, G01J 5/26, приоритет от 29.08.1989 г.].

Недостатком его является интегральная конструкция СОЭ с диафрагмой, толщина стенки которого должна быть 0,1-0,25 мм при высоте торцевой поверхности над МФЧЭ от 10 мм до 50 мм. Такая конструкция, несмотря на ее кажущуюся простоту, создает трудности при ее изготовлении. Ее можно выточить, например, на токарном или фрезерном станке. Затем в торцевой несущей плоскости СОЭ необходимо вырезать диафрагму с заданной формой и расположением, нанести соответствующие покрытия (отражающее и антиотражающее) на внешнюю и внутреннюю стороны СОЭ и приклеить криогенным клеем или припаять ОСФ к СОЭ. Расположение ОСФ на СОЭ приводит к повышенной охлаждаемой массе, что заставляет применять для поддержания заданной рабочей температуры более мощную МКС и/или повышает время выхода МФПУ на режим, стоимость изготовления СОЭ с ОСФ и, соответственно, МФПУ.

Прототипом заявляемого технического решения является СОЭ с ОСФ, включающий непрозрачную боковую поверхность, прикрепленную к ней с помощью кольцевой вставки непрозрачную торцевую плоскость, снабженную диафрагмой с заданной формой и расположением, оптически перекрытой ОСФ, прикрепленным к торцевой плоскости [Патент Японии JP 5343710, МКИ H01L 31/02, приоритет от 24.12.1993 г.]. В этой конструкции ОСФ может быть прикреплен к торцевой поверхности СОЭ, например, криоклеем или припоем.

Достоинством его является некая «серийность», т.к. из указанных деталей можно собрать СОЭ любой заданной высоты.

Недостатком его также является повышенная охлаждаемая масса, т.к. и боковая поверхность, и торцевая плоскость с диафрагмой должны быть выполнены стойкими к заданным внешним воздействиям. Тогда установленный на торцевой плоскости ОСФ, во-первых, повышает массу плоскости, а во-вторых, сам должен иметь достаточную прочность, чтобы его также не могли повредить внешние механические воздействия (удары и вибрация). Таким образом, ОСФ заставляет повышать толщину торцевой плоскости с диафрагмой, а следовательно, и боковой поверхности, что повышает и охлаждаемую и физическую массу СОЭ. Отсюда возникает повышенная охлаждаемая суммарная масса, приводящая к увеличению времени выхода на режим или повышению холодопроизводительности МКС. Еще одним из его недостатков является трудность изготовления диафрагмы некруговой формы [6]. В этом случае необходимы фрезерные станки высокой точности с числовым программным управлением (ЧПУ), т.к. изготовить ее с помощью фотолитографии по толстому металлу практически невозможно. Все это повышает себестоимость СОЭ.

Целью заявляемого устройства является снижение конечной цены СОЭ с ОСФ, времени выхода МФПУ на режим путем снижения охлаждаемой массы и упрощение технологии изготовления СОЭ с ОСФ при сохранении механических и оптических параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном узле установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения, содержащем СОЭ с ОСФ, включающий непрозрачную боковую несущую поверхность с поглощающим слоем на внутренней и отражающим слоем на внешней ее стороне, прикрепленную к ней с помощью кольцевой вставки непрозрачную торцевую плоскость, снабженную диафрагмой с заданной формой и расположением, оптически перекрытой ОСФ, в качестве несущей торцевой плоскости применен ОСФ с антиотражающим в заданном спектральном диапазоне покрытием, на поверхности которого расположена непрозрачная отражающая тонкая пленка с диафрагмой заданной формы.

Поставленная цель достигается также тем, что непрозрачная тонкая пленка выполнена из металла.

Поставленная цель достигается также тем, что непрозрачная тонкая пленка выполнена из диэлектрика.

Сущность заявляемого устройства состоит в совмещении нескольких различных функций одним компонентом заявляемого устройства.

Поскольку применяемый ОСФ является прочным к механическим воздействиям, то вместе с функцией пропускания излучения в заданном спектральном диапазоне он может совместить, и функцию несущей плоскости и функцию охлаждаемой диафрагмы, если на него нанести тонкий (≤0,5 мкм) непрозрачный слой с отверстием (диафрагмой) заданной формы. Диафрагму любой формы в этом случае легко изготовить с помощью обычной фотолитографии, которая имеет более высокую точность, допускает групповое изготовление и цена которой ниже, чем ее изготовление на станке с ЧПУ. Заявляемое устройство поясняется чертежами.

Прототип заявляемого устройства показан на фиг. 1 и 2, заявляемое устройство показано на фиг. 3 и 4. Цифрами обозначены следующие детали известного и заявляемого устройств:

1. непрозрачная боковая несущая поверхность с поглощающим слоем на внутренней и отражающим слоем на внешней ее стороне;

2. непрозрачная торцевая плоскость, снабженная диафрагмой с заданной формой и расположением;

3. кольцевая вставка;

4. ОСФ.

Способ изготовления СОЭ с ОСФ заключается в том, что из листового ковара, меди или алюминия изготавливают цилиндр или призму с прямоугольным сечением. Изготавливают и устанавливают внутреннюю или внешнюю кольцевую или прямоугольную вставку. Закрепляют на вставку ОСФ с изготовленной в нанесенном на ее поверхность тонком непрозрачном слое меди или алюминия (0,1 мкм) диафрагмой заданной формы. Все крепления можно осуществлять с помощью криоклея или пайки.

Работает заявляемое устройство аналогично известным узлам установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ, включающих СОЭ с ОСФ. Заявляемое устройство также выделяет необходимый к регистрации спектральный интервал и ограничивает количество квантов в единицу времени с помощью диафрагмы. Разница лишь в том, что если в известных устройствах спектральный интервал выделял ОСФ, а поток квантов устанавливал СОЭ с диафрагмой, то в нашем случае и спектральный интервал и поток квантов устанавливает ОСФ с нанесенной диафрагмой, а у СОЭ осталась лишь функция фиксации диафрагмы на заданном расстоянии от МФЧЭ.

В этом случае упрощается технология изготовления СОЭ с ОСФ, сохраняются его механические и оптические параметры, снижается охлаждаемая масса, конечная цена узла (СОЭ с ОСФ) и время выхода МФПУ на режим, т.е. достигается цель изобретения.

Литература

1. W.D. Rogatto, Electro-Optical Components. The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook, V. 3, SPIE Optical Engineering Press, 1993. P. 223-225.

2. А.И. Патрашин. Метод расчета параметров ИК МФПУ // Прикладная физика, 2010, №2. С. 103-108.

3. А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков. Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств // Прикладная физика, 2014, №1. С. 38-46.

4. А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, М.Д. Корнеева, В.В. Шабаров. Прогнозирование параметров матричных фотоприемных устройств // Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №1. С. 50-59.

5. А.И. Патрашин. Теоретическое исследование фоновых облученностей ИК МФЧЭ с холодными диафрагмами заданных типов // Прикладная физика, 2011, №3. С. 98-106.

6. А.И. Патрашин. Метод расчета фоновой облученности МФПУ с холодной диафрагмой произвольной формы // Прикладная физика, 2010, №3. С. 123-126.

Изобретение относится к области производства фотоприемных устройств и касается узла установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ. Узел расположен в корпусе с оптическим входным окном и содержит охлаждаемый светоограничительный экран, включающий в себя непрозрачную боковую несущую поверхность с поглощающим покрытием на внутренней и отражающим покрытием на внешней ее стороне и прикрепленную к ней торцевую плоскость с диафрагмой. При этом торцевой плоскостью является охлаждаемый светофильтр, одна из поверхностей которого покрыта непрозрачной отражающей тонкой пленкой с выполненной в ней диафрагмой заданной формы. Технический результат заключается в снижении охлаждаемой массы, уменьшении времени выхода на режим и упрощение способа изготовления. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ, расположенный в корпусе с оптическим входным окном и содержащий охлаждаемый светоограничительный экран (СОЭ), включающий в себя непрозрачную боковую несущую поверхность с поглощающим покрытием на внутренней и отражающим покрытием на внешней ее стороне и прикрепленную к ней торцевую плоскость с диафрагмой, отличающийся тем, что торцевой плоскостью является охлаждаемый светофильтр (ОСФ), одна из поверхностей которого покрыта непрозрачной отражающей тонкой пленкой с выполненной в ней диафрагмой заданной формы.

2. Узел установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ по п. 1, отличающийся тем, что непрозрачная отражающая тонкая пленка выполнена из металла.

3. Узел установки уровня и спектрального состава регистрируемого излучения в ИК МФПУ по п. 1, отличающийся тем, что непрозрачная отражающая тонкая пленка выполнена из диэлектрика.