ТЕПЛОВИЗОР НА КРИСТАЛЛЕ МОНОЛИТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ (ТЕПЛОВИЗИОННОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ ВИДЕОЗЕРКАЛО) Российский патент 2022 года по МПК H01L27/146 H01L21/782 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к оптоэлектронике, нано- и микроэлектронике и может быть использовано для создания монолитных фотоприемников (ФП) и тепловизоров, в том числе мультиспектральных, состоящих из заданной комбинации фоточувствительных элементов (ФЧЭ) или фотодетекторов (ФД), например для создания тепловизоров с оптическим выходом на основе монолитных ФП изображений инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов, преимущественно ближнего и среднего, а также дальнего диапазона, или изготовления тепловизоров с оптическим выходом на базе неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников (ММБП) излучения ИК и терагерцового (ТГц) диапазонов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современные монолитные многоэлементные ИК ФП состоят из кристалла мультиплексора, на котором расположен массив ФЧЭ (Фиг. 1). Мультиплексор это бескорпусная интегральная схема (ИС), которая обеспечивает требуемые электрические режимы работы ФЧЭ, осуществляет считывание электрических сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования падающего РЖ излучения в ФЧЭ, позволяет исключить механическую развертку изображения по одной или по двум координатам и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом.

В нано- и микроэлектронных конструкциях и вариантах технологии создания ИК ФП и тепловизоров в монолитном исполнении используют ФП в виде кристаллов мультиплексоров с дополнительно интегрированными на них массивами ФЧЭ; для сравнения - в гибридном исполнении применяют микросборки кристаллов матриц ФЧЭ и мультиплексоров.

Преобразование (изменение) спектра визуализации последовательности невидимых для глаза изображений является перспективной, прорывной научной проблемой. Имеются разные научно-технические подходы к решению указанной проблемы.

АНАЛОГИ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

Известны многочисленные конструкции электронно-оптических преобразователей (ЭОП), преобразующих излучение ближнего ИК спектрального диапазона в видимое излучение. Однако ЭОП и тепловизоры на их основе имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных тепловых "засветок" [Гибин И.С, Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Прикладная физика. 2019. №3. С. 31-38; Карамурзов Б.С, Мустафаев Г.А., Кармоков А.М., Молоканов О.А., Панченко В.А. Электронно-оптический преобразователь // Патент РФ на изобретение. №RU 2476952 С2. Бюл. №6. Опубл. 27.02.2013 г.; Гибин И.С, Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Патент РФ на изобретение. №RU 2657338 С1. Бюл. №17. Опубл. 13.06.2018 г.; Саликов В.Л., Украинский С.А. Прибор ночного видения // Патент РФ на изобретение. №RU 2189066 С1. Бюл. №25. Опубл. 10.09.2002 г.].

Известен конвертер - преобразователь изображений миллиметрового (ММ) диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант.2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками. Имея достаточно сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона.

Известен матричный преобразователь ТГц излучения (варианты) [Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный преобразователь терагерцового излучения (варианты) // Патент РФ на изобретение. №RU 2482527 С2. Бюл. №14. Опубл. 20.05.2013 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона.

Известен матричный приемник ТГц излучения на основе многоэлементной структуры ячеек Голлея [Кузнецов С.А., Федоринин В. Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный приемник терагерцового излучения // Патент РФ на изобретение. №RU 2414688 С1. Бюл. №8. Опубл. 20.03.2011 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.

Известен детектор изображений миллиметрового диапазона на основе ММ - ИК конвертера, преобразующий изображения ММ-диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона с последующим считыванием полученных в результате фотоэлектрического преобразования ИК-фотосигналов в электрические сигналы в фоточувствительных элементах (ФЧЭ) [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант. 2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ-волн.

ПРОТОТИП КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВИЗОРА

Известны многочисленные конструкции обычных тепловизоров, которые в наиболее общем виде состоят из: ИК или ТГц ФП для преобразования входных изображений в электрические сигналы, блоков охлаждения или стабилизации температуры ФП (при необходимости), блоков управления ФП и предварительной обработки формируемых фотосигналов, а также видеопроцессора для последующей обработки сигналов и дисплея (монитора) для визуализации исходных изображений в заданном спектральном диапазоне (Фиг. 2) [Вайнер Б.Г., Ли И.И., Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Базовкин В.М., Захаров И.М., Гузев А.А., Субботин И.М., Ефимов В.М., Валишева Н.А., Строганов А. С.Матричный тепловизор // Патент РФ на изобретение №RU 2152138 С1. Бюл. №18. Опубл. 27.06.2000 г.]. Данный тепловизор является наиболее близким техническим решением и может быть принят за прототип. Основной недостаток наиболее близкого технического решения (исполнения) тепловизоров связан с технологией изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и немалыми габаритными размерами.

НЕДОСТАТКИ ИЗВЕСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА:

1. Тепловизоры на основе ЭОП имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных входных тепловых "засветок". ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками.

2. Имея весьма сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона. Конструктивно достаточно сложные ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона. Имея достаточно сложную конструкцию, большие размеры элементарных ячеек и значительные габариты матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.

Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ-волн.

При этом основной недостаток наиболее близкого технического решения тепловизоров связан с технологией их изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и, в какой-то мере, миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и немалыми габаритными размерами.

3. Кроме того, в качестве блоков известных аналогов тепловизоров используют фотоэлектронные модули в корпусах или на пластинах-носителях. Из-за наличия у фотоэлектронных блоков корпусов, механических разъемов, дополнительных подложек и носителей конструкции и способы изготовления известных аналогов тепловизоров основывают на механических креплениях и механосборочных операциях, что принципиально ограничивает возможности микроминиатюризации известных тепловизоров, а также возможности автоматизации сборочных процессов и тестирования фотоэлектронных блоков в процессе изготовления тепловизоров.

4. Из-за больших габаритных размеров и значительной массы возникают также ограничения широкого применения известных тепловизоров для прорывного индустриального развития таких отраслей экономики РФ, как современное станкостроение и приборостроение, автоматизация и робототехника, высокотехнологичная медицина, телекоммуникационные технологии, исследование природных ресурсов.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель и предлагаемые технические решения.

С целью уменьшения занимаемых размеров и количества отдельных блоков тепловизора на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом (тепловизионное динамическое видеозеркало) указанные блоки изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают на единственном кристалле-носителе (мультиплексоре) в виде топологических узлов, систем и композиций элементов.

При этом в предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизоров на кристалле ФП и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков в монолитном исполнении используют бескорпусные кристаллы мультиплексоров с дополнительно интегрированными на них массивами ФЧЭ и ФД, а также оптических излучателей.

Из нижеследующего подробного описания должно быть ясно, что возможны другие варианты реализации настоящего изобретения, причем различные варианты реализации изобретения показаны ниже для примера. Понятно, что изобретение применимо к другим, отличающимся вариантам реализации, и различные его детали могут быть модифицированы в различных аспектах, но без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание, по существу, имеют иллюстративный характер и не означают ограничений. Возможные варианты реализации настоящего изобретения и ограничения заключаются в формуле настоящего изобретения.

Техническими результатами изобретения по конструкции тепловизора на кристалле монолитного ФП являются:

1. обеспечение максимальной микроминиатюризации конструкции тепловизора и существенное расширение области применения;

2. сохранение заданного шага ФЧЭ, ФД и излучателей и уменьшение искажения визуализируемой информации из-за разных размеров ячеек ФП и ячеек экрана дисплея (монитора);

3. увеличение вероятности обнаружения визуализируемых объектов и повышение качества изображений посредством создания комбинированной, совмещающей широкополосную и узкополосную части, спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора.

Техническими результатами изобретения по способу изготовления тепловизора на кристалле ФП являются: расширение технологической области применения вариантов способа изготовления, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления, повышение выхода годных изделий, уменьшение себестоимости тепловизоров, расширение области применения создаваемых тепловизоров и максимальная миниатюризация конструкции тепловизоров.

Обобщенными техническими результатами изобретения являются:

1. В предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизора на кристалле монолитного ФП (тепловизионное динамическое видеозеркало) и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков в монолитном исполнении используют бескорпусные кристаллы мультиплексоров с дополнительно интегрированными на них массивами ФЧЭ.

2. Отдельные блоки тепловизоров на кристалле ФП изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают на единственном кристалле-носителе (мультиплексоре) в виде топологических узлов, систем и композиций элементов для уменьшения размеров и количества указанных блоков.

3. Формирование комбинированной спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора на кристалле ФП, совмещающей широкополосную и узкополосную части, за счет использования разных ФЧЭ: например, KPT-фотодиодов и МСКЯ-фотодетекторов различных ИК спектральных диапазонов, или микроболометров, работающих в разных ИК и ТГц диапазонах.

4. Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.

СУЩНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОВИЗОРА НА КРИСТАЛЛЕ МОНОЛИТНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ

Технический результат достигается тремя вариантами изобретения. Технический результат первого варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом, состоящем из бескорпусного монолитного фотоприемника в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом (матрицей) n×m фотодетекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора,

отдельный блок охлаждения и (или) отдельный блок управления применяют при необходимости,

при необходимости бескорпусной монолитный фотоприемник выполняют на основе бескорпусного кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;

каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает ИК или ТГц фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.

Технический результат второго варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом (по первому варианту конструкции);

над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные бифокальные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов, соответственно;

причем каждую указанную линзу заданного спектрального диапазона располагают строго в соответствии с размерами ИК или ТГц фотодетектора и оптического излучателя с соответствующей прилегающей частью (четвертью) элементарной ячейки тепловизора на одном кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.

Технический результат третьего варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом (по первому варианту конструкции);

над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов, соответственно;

причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают строго симметрично относительно центра каждого ИК или ТГц фотодетектора и оптического излучателя в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.

ОСОБЕННОСТИ СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА НА КРИСТАЛЛЕ ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ

Тепловизор на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом (тепловизионное динамическое видеозеркало) в нано- и микроэлектронном исполнении изготавливают на основе интегральных блоков и размещают на единственном кристалле-мультиплексоре в виде топологических узлов, систем и композиций элементов с целью уменьшения занимаемых размеров и количества отдельных функциональных блоков.

Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора на кристалле ФП с оптическим выходом, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на кристалле ФП с оптическим выходом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ (и иных материалов)

Сущность вариантов изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 приведена известная структурная схема обычного тепловизора на основе отдельных блоков: 1 - экран, 2 - фотоприемник, 3 - корпус (криостат), 4 - блок управления, 5 - блок охлаждения, 6 - блок предобработки фотосигналов, 7 - видеопроцессор, 8 - дисплей (монитор).

На фиг. 2 приведены общий вид и поперечный разрез известного монолитного фотоприемника, выполненного на кристалле мультиплексора из матрицы фотодетекторов: 9 - контактные площадки, 10 - фотодетекторы и ячейки считывания, 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 12 - ячейка считывания, 13 - мультиплексор, 14 - блок охлаждения.

На фиг. 3 приведены общий вид и поперечный разрез тепловизора с оптическим выходом на одном кристалле монолитного фотоприемника, состоящего из матрицы фотодетекторов и излучателей на кристалле мультиплексора: 9 - контактные площадки, 15 - фотодетекторы, излучатели и ячейки считывания, 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 16 - излучатель, 17 - ячейка считывания и излучения, 13 - мультиплексор, 14 - блок охлаждения.

На фиг. 4 приведена элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника: 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 20 - ОЗУ (аналоговое, цифровое), 21 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3-третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель; 22 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника.

На фиг. 5 приведен базовый принцип работы тепловизора с оптическим выходом на одном кристалле монолитного фотоприемника (эскиз): 9 - контактные площадки, 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 13 - мультиплексор, 21 - оптический излучатель, 23 - пластина-носитель, применяется при необходимости.

На фиг. 6 приведен принцип технологического исполнения областей микростыковки смежных индивидуальных интегральных бифокальных линз соответствующих спектральных диапазонов (вид сбоку; эскиз): 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 13 - мультиплексор, 21 - оптический излучатель, 23 - пластина-носитель, применяется при необходимости; 24 - бифокальная линза входного спектрального диапазона, 25 - бифокальная линза выходного (оптического) спектрального диапазона.

На фиг. 7 приведен принцип технологического исполнения областей микростыковки смежных индивидуальных интегральных линз соответствующих спектральных диапазонов (вид сбоку; эскиз): 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 13 - мультиплексор, 21 - оптический излучатель, 23 - пластина-носитель, применяется при необходимости; 26 - линза входного спектрального диапазона, 27 - линза выходного (оптического) спектрального диапазона.

На фиг. 8 приведен пример второго способа работы тепловизора с оптическим выходом на одном кристалле монолитного фотоприемника: 11 - ИК или ТГц фотодетектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 20 - ОЗУ (аналоговое, цифровое), 21 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель; 22 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника; 28 - система мультиплексирования, 29 -блок с обычным одно- или многоканальным выходом фотосигналов кристалла монолитного фотоприемника (тепловизора с оптическим выходом), 30 - процессор сигналов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый вариант тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусного монолитного ФП в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом (матрицей) n×m фотодетекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора,

отдельный блок охлаждения и (или) отдельный блок управления применяют при необходимости,

при необходимости бескорпусной монолитный фотоприемник выполняют на основе бескорпусного кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;

каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.

Второй вариант тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом (по первому варианту конструкции) состоит из бескорпусного монолитного ФП в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом (матрицей) n×m фотодетекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора,

над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные бифокальные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов, соответственно;

причем каждую указанную линзу заданного спектрального диапазона располагают строго в соответствии с размерами ИК или ТГц фотодетектора и оптического излучателя с соответствующей прилегающей частью (четвертью) элементарной ячейки тепловизора на одном кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.

Третий вариант тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом (по первому варианту конструкции) состоит из бескорпусного монолитного ФП в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом (матрицей) n×m фотодетекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора,

над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов, соответственно;

причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают строго симметрично относительно центра каждого ИК или ТГц фотодетектора и оптического излучателя в каждой элементарной интегральной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВИЗОРА НА КРИСТАЛЛЕ МОНОЛИТНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМ

Бескорпусные монолитные ФП выполняют в виде кристаллов мультиплексоров с размещенными на них в специально отведенных местах ФД, при необходимости бескорпусные монолитные ФП располагают на единственную пластину-носитель. Массивы (матрицы) ФД фотоприемников могут быть прямоугольными или квадратными, состоять из одного, двух, трех, четырех (например, в виде массива 2×2) и более элементов, что определяется требуемым пространственным разрешением ФП.

Монолитные ФП, при необходимости, могут состоять из различных комбинаций ФД, фоточувствительных в разных (УФ, видимом, ИК, ТГц и/или др.) спектральных диапазонах и выполненных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), кремниевых фотодиодов, КРТ-фотодиодов, МСКЯ-фотодетекторов, детекторов на основе сверхрешеток или микроболометров, в зависимости от задачи, решаемой тепловизором с оптическим выходом. Такие монолитные ФП обладают комбинированной спектральной характеристикой чувствительности за счет использования разных типов ФД, например, на основе микроболометров, работающих одновременно в разных спектральных диапазонах: ИК и ТГц.

Длинноволновую границу фоточувствительности, например, в ИК спектральном диапазоне обеспечивают конструкцией ФЧЭ, а коротковолновую границу фоточувствительности - "отрезающим" оптическим фильтром. Мультиплексор обеспечивает параллельное считывание и обработку сигналов матриц ФД заданных спектральных диапазонов. Последующую обработку и совмещение изображений в разных спектральных диапазонах от отдельных ФД осуществляют сигнальным видеопроцессором.

Разделение падающего на матрицы ФД и эмитированного (сформированного) массивами излучателей потоков излучения или фотонов, при необходимости, осуществляют в заданных спектральных диапазонах светоделителями. В некоторых случаях оптическую систему не применяют. Каждый ФД и каждый излучатель работают в своем заданном диапазоне.

Изображение визуализируемой сцены фокусируют на фокальную плоскость расположения ФД матриц (массивов) монолитного ФП (фиг. 4). В каждой элементарной интегральной ячейке считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом, в ИК или ТГц фотодетекторах (11) с помощью устройства (18) считывания фотосигналов происходит фотоэлектрическое преобразование. Первый способ работы тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника. Под управлением блока (22) и с обработкой в блоке (22) с аналоговым или цифровым ОЗУ (20) считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления (драйвер) оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией, предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ (20) и сигналами управления. Излучатель (21), при необходимости, может состоять из 1-го, 2-х, 3-х, 4-х или более субизлучателей (например, И1 -первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель) соответствующих спектральных диапазонов. Сигналы драйвера (19) управляют излучением фотонов блоком (21) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4).

Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника несколько иным способом (вторым способом). Полученные в ФД под управлением устройства считывания (18) и блока (22) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как управляющие сигналы, поступают в блок 22 и в ОЗУ (20) каждой элементарной интегральной ячейки считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника. Блок управления (22) совместно с ОЗУ (20) выдают сигналы для драйвера (19), который управляет излучением фотонов блоком (21) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8).

ПРИМЕР ПРЕДЛАГАЕМОГО ВАРИАНТА СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления вариантов создания тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника (тепловизионного динамического видеозеркала) с достижением указанных технических результатов, приводим нижеследующий пример реализации.

Пример

Рассмотрим пример варианта тепловизионного динамического видеозеркала - тепловизора на кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом (фиг. 4, 8).

Вариант тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусного монолитного ФП в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом (матрицей) n×m фото детекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора, отдельного блока охлаждения и (или) отдельного блока управления, которые применяют при необходимости; при необходимости бескорпусной монолитный ФП выполняют на основе бескорпусного кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов; каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает: инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.

Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника двумя различными способами.

Первый способ работы тепловизора на кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Изображение визуализируемой сцены фокусируют на массив ФД монолитного ФП (фиг. 4). В фото детекторах (11) с помощью устройства (18) происходит фотоэлектрическое преобразование. Под управлением и с обработкой блока (22) с аналоговым или цифровым ОЗУ (20) считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией и предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ (20) и сигналами управления. Сигналы драйвера (19) управляют излучением блока (21) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4).

Второй способ работы тепловизора на кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Полученные в ФД под управлением устройства (18) считывания и блока (22) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как внешние управляющие сигналы, поступают в блок 22 и в ОЗУ (20) каждой элементарной интегральной ячейки считывания и излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного фотоприемника. Блок управления (22) совместно с ОЗУ (20) выдают сигналы для драйвера (19), который управляет излучением блока (21) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8).

Изобретение относится к оптоэлектронике, нано- и микроэлектронике и может быть использовано для создания тепловизора с оптическим выходом на кристалле монолитного инфракрасного (ИК) или терагерцевого (ТГц) фотоприемника (ФП), в том числе мультиспектрального. Преобразование или изменение спектра визуализации последовательности невидимых для глаза изображений является перспективной научной проблемой. Монолитный бескорпусной ФП, состоящий из массива n×m фотодетекторов (ФД) для уменьшения массо-габаритных характеристик, обеспечения микроминиатюризации и компактности конструкции, расширения области применения изготавливают в виде мультиплексора с дополнительно интегрированными массивами ФЧЭ или ФД и оптических излучателей. Изобретение может быть использовано, например, для создания тепловизоров с оптическим выходом на основе монолитных ФП изображений ИК спектральных диапазонов или на базе неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников излучения ИК и ТГц диапазонов. Применение изобретения может обеспечить увеличение технологичности изготовления тепловизора, упрощение конструкции данного тепловизора, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Тепловизор на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом, состоящий из бескорпусного монолитного фотоприемника в виде одного бескорпусного кристалла мультиплексора с дополнительно интегрированным на него массивом n×m фотодетекторов и излучателей, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n=1 или при m=1, отдельного видеопроцессора, при необходимости применяют отдельный блок охлаждения и отдельный блок управления, при необходимости бескорпусной монолитный фотоприемник выполняют на основе бескорпусного кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов, отличающийся тем, что каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает инфракрасный или терагерцевый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с оперативным запоминающим устройством сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.

2. Тепловизор на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом по п. 1, отличающийся тем, что над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные бифокальные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов соответственно; причем каждую указанную линзу заданного спектрального диапазона располагают строго в соответствии с размерами ИК или ТГц фотодетектора и излучателя с соответствующей прилегающей частью элементарной ячейки тепловизора.

3. Тепловизор на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом по п. 1, отличающийся тем, что над каждым ИК или ТГц фотодетектором и оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке тепловизора на одном кристалле монолитного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц и оптического спектральных диапазонов соответственно; причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают строго симметрично относительно центра каждого ИК или ТГц фотодетектора и оптического излучателя в каждой элементарной ячейке тепловизора.