Инфракрасное крупноформатное сканирующее матричное фотоприемное устройство Российский патент 2018 года по МПК H01J40/14 G01J1/02 

Настоящее изобретение относится к инфракрасным (ИК) крупноформатным сканирующим матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) - устройствам, преобразующим входное оптическое изображение, формируемое объективом, в выходной электрический видеосигнал. Такие МФПУ работают в следующих спектральных диапазонах чувствительности: (1-1,7) мкм, (1,7-2,4) мкм, (2,4-3) мкм, (3-5) мкм, (5-8) мкм, (8-12) мкм. Матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) МФПУ, работающие в указанных спектральных диапазонах, изготавливаются на основе полупроводниковых структур InSb, In_xGa_1-xAs, Cd_xHg_1-xTe и т.д., а также на основе квантовых ям и сверхрешеток на основе полупроводников группы А₃В₅ и др. Крупноформатные МФПУ могут использоваться в различных системах регистрации и мониторинга больших пространств. Например, они могут быть установлены на искусственных спутниках Земли. Такие системы регистрируют, например, атмосферные явления, извержения вулканов, ураганы, распределение температуры по поверхности Земли, степень зрелости сельскохозяйственных культур и т.д.

Крупноформатным МФПУ мы будем называть устройство, обладающее повышенным форматом гибридной МФЧЭ, реализуемым с помощью М интегральных МФЧЭ формата m×n, расположенных в заданном порядке с перекрывающимися краевыми ФЧЭ, достигающим, например, одного-двух десятков тысяч фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в строке.

Конструкция и формат интегральной МФЧЭ служат достижению заданных фотоэлектрических параметров, приемлемого количества дефектных ФЧЭ, возможностей технологии, процента выхода годных и т.д. МФПУ с интегральной МФЧЭ включает герметический корпус с входным окном и состыкованное с ним устройство фиксации рабочей температуры МФЧЭ, площадка с постоянной температурой (ГШТ) которого находится внутри корпуса. На ППТ расположен растр с контактными площадками, на растре установлен кремниевый мультиплексор, состыкованный с МФЧЭ с помощью индиевых столбиков. Сборка МФЧЭ-мультиплексор (ФПМ) окружена светоизолирующим экраном (СЭ), также имеющим постоянную температуру, которая, как правило, ниже температуры окружающей среды. СЭ содержит диафрагму, плоскость которой параллельна плоскостям МФЧЭ и входного окна МФПУ, а их центры лежат на перпендикулярной им оси.

ИК крупноформатное сканирующее МФПУ требует, по крайней мере, на порядок увеличить формат МФЧЭ по сравнению с интегральным МФПУ, доведя его, по крайней мере, до 7000-15000 ФЧЭ в строке. Сделать такую МФЧЭ интегральной из вышеуказанных полупроводников невозможно даже с помощью самой современной технологии. Действительно, при шаге ФЧЭ даже 10 мкм мы получим длину строки МФЧЭ порядка 10000⋅10 мкм = 100 мм. Такая длина строки слишком велика, поэтому ее изготавливают гибридной, т.е. составленной из интегральных МФЧЭ, расположенных, например, в шахматном порядке с перекрытием краевых ФЧЭ.

С целью обеспечения необходимой пороговой характеристики в крупноформатном МФПУ необходимо получить заданную фоновую облученность и ее однородность по фоточувствительной площади гибридной МФЧЭ. Эти параметры обеспечивает СЭ, который вместе с диафрагмой должен будет иметь увеличенные размеры и повышенное расстояние от гибридной МФЧЭ. Такая конструкция охлаждаемого узла (МФЧЭ-мультиплексор) будет иметь увеличенный герметизированный объем корпуса крупноформатного МФПУ. Результатом будет являться непропорциональное повышение массы крупноформатного ИК МФПУ, теплопритоков корпуса и мощности устройства фиксации рабочей температуры.

Известно ИК крупноформатное сканирующее МФПУ, включающее герметичный корпус с оптическим окном, гибридную МФЧЭ, составленную из интегральных МФЧЭ заданного формата, состыкованных с интегральными БИС, и светоизолирующий экран с диафрагмой [К.В. Козлов и др. Современные сканирующие инфракрасные фотоприемные устройства для дистанционного зондирования Земли, Успехи прикладной физики, 2017 г., №2, с.63].

Недостатком его являются повышенное энергопотребление, требуемое для обеспечения необходимой хладопроизводительности из-за увеличенного объема герметичного корпуса и обусловленного этим высокого теплопритока.

Целью изобретения является сохранение высокого значения порогового фотоэлектрического параметра, при одновременном снижении теплопритоков, массы, габаритов и энергопотребления устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в крупноформатном сканирующем ИК МФПУ, включающем герметичный корпус с оптическим окном, гибридную МФЧЭ, составленную из интегральных МФЧЭ, и светоизолирующий экран с диафрагмой, диафрагма является неодносвязной, односвязные части диафрагмы равны между собой, их центры расположены на прямых линиях, соединяющих центры фоточувствительных областей гибридной МФЧЭ с центром виртуального выходного зрачка объектива, формирующего изображение, а количество фоточувствительных областей равно количеству односвязных областей диафрагмы и кратно количеству интегральных МФЧЭ.

Поставленная цель достигается также тем, что интегральные МФЧЭ расположены в шахматном порядке с перекрытием крайних ФЧЭ в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

Поставленная цель достигается также тем, что температура гибридной МФЧЭ стабильна во времени и не превышает минимальную температуру внешней среды.

Поставленная цель достигается также тем, что температура светоизолирующего экрана постоянна, не превышает минимальную температуру внешней среды и не ниже температуры гибридной МФЧЭ.

Поставленная цель достигается также тем, что на светоизолирующем экране расположены светофильтры с заданными полосами пропускания, закрывающие односвязные части диафрагмы.

Поставленная цель достигается также тем, что светофильтры выполнены интерференционными.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 иллюстрируют виды совмещения СЭ ИК крупноформатного сканирующего МФПУ с гибридной МФЧЭ.

Фиг. 1 - М интегральных МФЧЭ и М односвязных областей холодной диафрагмы;

фиг. 2 - М интегральных МФЧЭ и М/2 односвязных областей холодной диафрагмы;

фиг. 3 - М интегральных МФЧЭ и М/3 односвязных областей холодной диафрагмы.

Фиг. 4 - взаимное расположение гибридной МФЧЭ (вид совмещения на фиг. 1), СЭ и виртуального выходного зрачка оптической системы в сечении А-А (не в масштабе рисунка на фигуре).

Фиг. 5 - оптическая схема устройства.

Рассмотрим суть заявляемого устройства.

ИК крупноформатное сканирующее МФПУ включает герметичный корпус 11 с входным окном 10 и состыкованное с ним устройство фиксации рабочей температуры МФЧЭ (не показано), площадка с постоянной температурой (ППТ) которого находится внутри корпуса 11. На ППТ, любым способом, создающим надежный тепловой контакт, например с помощью промежуточного растра, установлен кремниевый мультиплексор (мультиплексоры) 4, состыкованный с интегральными МФЧЭ 2 с помощью индиевых столбиков. Эти М интегральных МФЧЭ составляют гибридную МФЧЭ, постоянная температура которой ниже температуры окружающей среды. Гибридная МФЧЭ окружена СЭ 1. В СЭ 1 имеется неодносвязная диафрагма 3, плоскость которой параллельна плоскости гибридной МФЧЭ и входного окна МФПУ. Диафрагма включает М, или М/2, или М/3, или М/4 односвязных частей 3, симметричных относительно своих центров 9. Центры 9 односвязных частей диафрагмы 3 лежат на прямых линиях, соединяющих соответствующие центры фоточувствительных областей 8, включающих одну, или две, или три, или четыре интегральных МФЧЭ, с центром 6 выходного зрачка виртуального объектива 7, предназначенного для фокусирования изображения на гибридную МФЧЭ. Центры односвязных областей СЭ 9 по мере удаления от оптической оси гибридной МФЧЭ 5 сдвигаются к ней. Перпендикуляр к центру гибридной МФЧЭ 5 проходит через центр 6 выходного зрачка виртуального объектива 7. Односвязные части диафрагмы 3 могут быть закрыты светофильтрами 12, например интерференционными, в которых, практически, отсутствует поглощение излучения. Светофильтры 12 предназначены для формирования спектральной области излучения [λ₁; λ₂], предназначенной для регистрации.

Такая конструкция устройства отличается от известных тем, что холодная диафрагма ИК крупноформатного сканирующего МФПУ выполнена неодносвязной, а центры 6 односвязных частей 3 холодной диафрагмы сдвинуты относительно фоточувствительных областей 13 гибридной МФЧЭ. Величина сдвига определяется совмещением центра 6 каждой односвязной части диафрагмы с осью, соединяющей центр 8 соответствующей интегральной МФЧЭ с центром 6 виртуального выходного зрачка объектива, и нарастает по мере удаления от центра 5 гибридной МФЧЭ.

Работа ИК крупноформатного сканирующего МФПУ аналогична функционированию обычного МФПУ. Отличие состоит в том, что излучение от объектива и сканера падает на МФПУ, проходит через входное окно и попадает на фоточувствительные области не сквозь единую диафрагму, а сквозь односвязные части ее, согласованные с фоточувствительными областями гибридной МФЧЭ так, чтобы обеспечивать заданную облученность. Это позволяет получить высокое значение порогового фотоэлектрического параметра. В силу того что эти области гибридной МФЧЭ являются ее уменьшенными частями, удается приблизить всю диафрагму и тем самым снизить герметизируемый объем МФПУ. Таким образом, удается снизить габариты, теплопритоки, энергопотребление и массу МФПУ, сохраняя высокое значение порогового параметра, т.е. достигнуть поставленной цели.

Изобретение относится к инфракрасным сканирующим матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) - устройствам большого формата, преобразующим входное оптическое изображение, формируемое объективом и сканером, в заданный спектральный диапазон, а затем в выходной электрический видеосигнал. Изобретение позволяет сохранить высокое значение порогового фотоэлектрического параметра при одновременном снижении габаритов, теплопритоков, энергопотребления и массы МФПУ. Для этого диафрагму выполняют неодносвязной, с равными между собой односвязными частями. Их центры совмещены с прямыми линиями, соединяющими центры фоточувствительных областей гибридной матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с центром виртуального выходного зрачка объектива, формирующего изображение. Количество фоточувствительных областей равно количеству односвязных областей диафрагмы и кратно количеству интегральных МФЧЭ. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ, включающее герметичный корпус с оптическим окном, гибридную МФЧЭ, составленную из интегральных МФЧЭ, и светоизолирующий экран с диафрагмой, отличающееся тем, что диафрагма является неодносвязной, односвязные части диафрагмы равны между собой, их центры расположены на прямых линиях, соединяющих центры фоточувствительных областей гибридной МФЧЭ, с центром виртуального выходного зрачка объектива, формирующего изображение, а количество фоточувствительных областей равно количеству односвязных областей диафрагмы и кратно количеству интегральных МФЧЭ.

2. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ по п.1, отличающееся тем, что интегральные МФЧЭ расположены в шахматном порядке с перекрытием крайних ФЧЭ в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

3. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что температура гибридной МФЧЭ стабильна во времени и не превышает минимальную температуру внешней среды.

4. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что температура светоизолирующего экрана постоянна, не превышает минимальную температуру внешней среды и не ниже температуры гибридной МФЧЭ.

5. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ по любому из пп. 1 - 4, отличающееся тем, что на светоизолирующем экране расположены светофильтры с заданными полосами пропускания, закрывающие односвязные части диафрагмы.

6. ИК крупноформатное сканирующее МФПУ по любому из пп. 1 - 5, отличающееся тем, что светофильтры выполнены интерференционными.