….Главная
страница …Проекты
…Тепловизионная
диагностика …Технологии
….Главная
страница …Проекты
…Тепловизионная
диагностика …Технологии
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (235 кб)
Неохлаждаемые тепловые приемники хотя и уступают фотонным и квантовым по своим предельным параметрам, обладают целым рядом характеристик, которые делают их незаменимыми в обширной области применений. Это, в частности, относится к задачам наблюдения и распознавания объектов на небольших расстояниях (до 2500 м), ИК-микроскопии, медицинской и промышленной диагностике и т.п. Главное преимущество тепловизионных систем на многоэлементных тепловых приемниках (UFPA) перед системами с фотонными и квантовыми приборами в том, что для их работы не требуется охлаждение до криогенных температур. В НИИ "Платан" впервые в мировой практике получено ИК-изображение в диапазоне длин волн 8–14 мкм на катодолюминесцентном экране ЭОП с пироэлектрической мишенью и разработан прибор нового класса – пироэлектрический ЭОП.
В основе работы тепловых детекторов лежит
зависимость свойств материала от изменения температуры приемника под действием
падающего излучения. Основными материалами для приемников UFPA, обладающими
наилучшими комплексными характеристиками, на сегодняшний день являются
пироэлектрические материалы, в которых изменение температуры определяется по
изменению поляризации или диэлектрической проницаемости детекторного
конденсаторного элемента (сегнетоэлектрические цирконаты свинца, ниобаты и
титанаты бария-стронция, сополимеры винилиденфторида (PVDF), циклические
органические пироэлектрики на основе аминодифенила), а также материалы для
микроболометров с большим значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС),
такие как аморфный кремний (а-Si) и различные модификации оксидов ванадия (VOx).
Сопоставление технических характеристик тепловых детекторов (табл.1) [1] и
микроболометров (табл.2) показывает, что гибридные пироэлектрические приемники
на основе сегнетоэлектрической керамики и органического пироэлектрика составляют
реальную конкуренцию болометрам на VOx и Si [2, 3].
Кроме того, при близких параметрах систем визуализации стоимость
пироэлектрических матриц значительно ниже болометров (соотношение примерно
4000:20 000 долл.).
Сравнительный анализ разработок ИК-систем на микроболометрах и пироэлектрических
матрицах показывает, что устройства на основе пироэлектрических матриц обладают
лучшими характеристиками. Причины этого заключаются в следующем.
· Пироэлектрические приемники – истинно пассивные устройства. Согласно природе
пироэлектрического эффекта для регистрации сигнала от приемника к нему не
требуется прикладывать электрическое напряжение. В результате отсутствует
составляющая шума сигнала 1/f, органически присущая микроболометрам. Таким
образом, теоретический предел NETD пироэлектрических приемников в несколько раз
ниже, чем у микроболометров.
· Технический уровень матричных пироприемников основан также на уникальной
особенности пироприемников – большой постоянной времени их чувствительных
элементов (ЧЭ) (до 1–10 с).
· Сигнал в пироэлектрических приемниках имеет дифференциальный характер.
Поскольку пироприемники реагируют только на изменение температуры, требования к
однородности по чувствительности отдельных элементов матрицы приемника снижаются
в десятки раз. Благодаря этому уменьшается так называемый фиксированный
пространственный, или геометрический, шум. Соответственно, при одинаковых
значениях NETD, характеризующих только чувствительность пикселей матрицы, у
системы на основе пироэлектриков наблюдается лучшее по сравнению с
микроболометрическими системами минимальное разрешение по разности температур на
реальных объектах (табл.3).
· По той же причине пироэлектрические приемники не чувствительны к фоновому
излучению, которое для комнатных температур в рабочем ИК-диапазоне очень велико.
В отличие от микроболометров на VOx и Si, для пироэлектриков не требуется
специальной обработки выходного сигнала для вычитания фона и дополнительной
калибровки приемника для смещения его рабочей точки с целью поддержания
приемлемого динамического диапазона.
· Существуют данные, показывающие, что материалы, относящиеся к классу
пироэлектриков, сохраняют свои пироэлектрические свойства при воздействиях
электромагнитных и радиационных излучений. Это обстоятельство может сыграть
решающую роль при создании приборов для спецприменений.
· Наконец, из-за того, что пироэлектрический эффект зависит от поляризованности
материала, пироприемники UFPA перспективны для создания нового поколения
интеллектуальных сенсоров. Они могут стать основой приемников с перестраиваемой
чувствительностью, выполняющих автоматическую коррекцию неоднородности
чувствительности, адаптацию к условиям применения и аналоговую обработку
сигналов.
Теоретический предел пороговой чувствительности ИК-приемного устройства
определяется дробовым шумом потока фоновых фотонов, падающих на
фоточувствительный элемент в пределах его апертурного угла [4], и определяется
соотношением:
...
где NETD*r(l) – удельная величина, зависящая от спектрального диапазона
чувствительности матрицы (для l = 10–12 мкм NETD*r » 10-7 К·см·с-1/2),
b – шаг матрицы,
b – угол поля зрения матрицы,
ti – время накопления в элементе матрицы за один кадр.
Пользуясь этим соотношением, можно посчитать, что при b=15 мкм, b=27° (что
соответствует объективу F/1) и ti =1/30 с теоретический предел эквивалентной
шуму разности температур для микроболометров составляет 0,37 мК. Учет
вышерассмотренных особенностей пироприемников (отсутствие дробового шума,
уменьшение геометрического шума, большая постоянная времени накопления и др.)
позволяет оценить их теоретический предел NETD, как минимум, на порядок лучше,
чем у микроболометров (т.е. ~0,04 мК). Вклад собственных шумов диэлектрических
потерь, присущих пироэлектрическим материалам, ухудшает это значение раза в 2–3
(т.е. до значения ~0,1 мК) [5].
Проблемы создания ПОЭП
Широкому освоению выпуска UFPA на основе пироэлектриков препятствует комплекс
проблем, возникающих при создании матричных интегральных тепловых приемников
излучения. Это технологичность конструкции и совместимость технологии получения
теплочувствительных детекторных матриц с базовыми технологиями микроэлектроники.
Решение этих проблем идет несколькими путями. Создание пироэлектрических
болометров предполагает отработку технологических процессов изготовления
многоэлементных пироприемников UFPA на основе сегнетоэлектрической керамики или
материалов с низкими температурами формирования пироэлектрических пленок и
последующей кристаллизации пироэлектриков в монолитной конструкции с
мультиплексором. Интересные работы в данном направлении проводят такие фирмы как
Raytheon Commercial Infrared, BAE Systems (Avionics Group), NEC. В России
аналогичные разработки неизвестны.
Другим направлением создания ИК-приемников на пироэлектриках, в котором в России
достигнуты заметные успехи, является разработка пировидиконов (пириконов),
представляющих собой видикон со сплошной или мелкоструктурной (мозаичной)
мишенью из пироэлектрика (табл.4). Основная особенность пировидикона –
отсутствие мультиплексора, роль которого выполняет считывающий электронный
пучок. Пировидиконы относятся к электровакуумным фоточувствительным приборам
ИК-диапазона (ИК ЭВФП).
Другим примером конструкции многоэлементного ИК-приемника служит
пироэлектрический электронно-оптический преобразователь (ПЭОП) [6]. Этот прибор
может быть отнесен к новому классу приборов преобразования излучения диапазона
8–14 мкм в излучение видимого диапазона. Действие ПЭОП основано на
нетрадиционном для этого вида фоточувствительных приборов физическом принципе
преобразования ИК-изображения в видимое – путем его попиксельной дискретизации и
модуляции однородного потока электронов матричным пироэлектрическим тепловым
приемником излучения.
Воздействие ИК-излучения на чувствительный элемент индуцирует в нем
электрический заряд, пропорциональный потоку падающего излучения. Электрическое
поле наведенного заряда модулирует поток электронов, проходящих через отверстия
в ЧЭ. Для обеспечения функционирования ПЭОП в нем перед матрицей ЧЭ должен быть
каким-либо способом создан моноэнергетический поток электронов. В остальном ПЭОП
не отличается от традиционных ЭОП. Таким образом, ПЭОП представляет собой
объединение в одном приборе пироприемника и электронно-оптического
преобразователя, в котором ИК-изображение преобразуется в видимое, отображаемое
на катодолюминесцентном экране ЭОП.
В состав ПЭОП вместо обычного фотокатода матричного теплового приемника входит
модулятор электронного потока, что позволяет создать тепловизионный прибор на
основе теплового приемника, минуя операции мультиплексирования выходного сигнала
и преобразования этого сигнала в изображение с помощью прибора отображения
информации.
В табл.5 приведено сравнение основных параметров, достигнутых для существующих
поколений ЭОП, и параметров потенциальных ЭОП – ПЭОП.
К достоинствам ПЭОП относится достаточно большой динамический диапазон (не менее
60 дБ) и приемлемое время накопления сигнала (соответствующее собственной
постоянной времени прибора), которое не входит в противоречие с требованиями
быстродействия. Принципиально, что ПЭОП – неохлаждаемый ИК-приемник с оптическим
выходом. Аналоги прибора в РФ и за рубежом неизвестны.
ПЭОП не потребует сложных схем управления. Он должен иметь низкое
энергопотребление, что позволит применять его в малогабаритных носимых приборах
массового применения.
Следует ожидать, что стоимость тепловизионного приемника (ТВП) на основе ПЭОП
при приемлемом температурном разрешении (NETD 0,05–0,1 К) будет самой низкой по
сравнению с другими видами ТВП, включая матричные микроболометры и пироприемники
с электрическим выходом. Вероятно, стоимость ПЭОП составит не более 45–50 тыс.
руб.
Реализация предлагаемых технических решений позволит сочетать в одном приборе
функциональные возможности ТВП и прибора ночного видения в простейшей
конфигурации – ПЭОП+ИК-объектив без системы охлаждения, обеспечивая через окуляр
наблюдение изображения непосредственно на экране ПЭОП.
Конструктивно-технологические особенности
ПЭОП
Схема ПЭОП, реализованная в НИИ "Платан" (рис.1), построена с учетом принципа
работы, который описан в патенте [6].
При облучении фотокатода соответствующим источником подсветки создается
пространственно однородный поток фотоэлектронов. Этот поток, проходя через
отверстия пироэлектрической мишени, модулируется в соответствии с распределением
потенциала на поверхности пироэлектрического слоя, которое возникает при
проецировании на мишень регистрируемого теплового излучения. Далее
модулированный поток электронов, как в обычном ЭОП, попадает на устройство
регистрации электронного изображения (катодолюминесцентный экран), на котором
визуально наблюдается распределение регистрируемого теплового излучения
(тепловое поле объекта). Для удобства наблюдателя ПЭОП может дополнительно
комплектоваться оптическим устройством переноса и усилительным ЭОП. На рис.2
приведена конструкция собранных макетных образцов.
Основными элементами ПЭОП, подлежащими конструкторской и технологической
разработке, являются функциональные узлы: пироэлектрическая мишень, катод и
входное окно. Катодолюминесцентный экран, оптика переноса электронного
изображения и усилитель на микроканальной пластине целиком использовались из
существующих ЭОП. Основным функциональным узлом ПЭОП, фактически превращающим
ЭОП обычного диапазона в ЭОП диапазона 8–14 мкм, является пироэлектрическая
мишень (рис.3)
Основная задача мишени – преобразование двумерного теплового изображения (8–14
мкм), спроецированного объективом на поверхность мишени, в электрический
двумерный потенциальный рельеф. Мишень является и управляющим (модулирующим)
электродом для проходящего сквозь нее равномерного электронного потока. При
разработке конструкции такой мишени должно быть обеспечено одновременное решение
двух задач: эффективное поглощение тепла и обеспечение максимальной глубины
модуляции электронного потока, проходящего сквозь мишень.
Поставленная задача решалась следующим образом. Пироэлектрическая мишень (см.
рис.3б) выполняется со сквозными отверстиями (1) для прохождения электронного
потока. Пироэлектрический слой мишени (2) разделен сквозными отверстиями на
отдельные дискретные элементы. Эффективное поглощение тепла обеспечивается
металлическими поглощающими слоями (3, 5), нанесенными на несущую
диэлектрическую пленку (4). Металлический электрод (3) одновременно выполняет
функцию управляющего электрода. Поглощенное тепло преобразуется с помощью
пироэлектрического слоя в электрический потенциальный рельеф на поверхности
мишени, повторяющий картину распределения тепла по сечению падающего теплового
потока. Эффективность теплового преобразования зависит от выбора материала
пироэлектрика. Глубина модуляции проходящего сквозь мишень электронного потока
определяется значением электрического потенциального рельефа и геометрией
сетчатого электрода.
Несущая диэлектрическая пленка имеет толщину около 1 мкм. Поглощающий и
управляющий электроды – из пленок нихрома. Этот материал обеспечивает при низкой
теплопроводности максимальный коэффициент поглощения падающего на мишень
ИК-излучения. Толщина слоев 0,05–0,20 мкм. Пироэлектрический слой выполнен в
виде пленки органического пироэлектрика [7].
Поскольку сквозные отверстия в поглощающем и управляющем электродах, а также в
пироэлектрическом слое совпадают, то мишень можно представить как совокупность
ЧЭ, размеры которых ограничиваются прорезями в подложке. Минимальные линейные
размеры этих дискретных элементов (20–25 мкм), определяющие, в конечном счете,
пространственное разрешение прибора, нецелесообразно выполнять менее 2lср (lср –
длина волны внутри рабочего спектрального диапазона 8–14 мкм).
Поликристаллические пленки органических полициклических соединений по величине
пирокоэффициента уступают пироэлектрикам-монокристаллам, но малая величина e и,
следовательно, высокий фактор качества, а главное – возможность формировать
тонкие слои на любой поверхности, поставили их в один ряд с лучшими
монокристаллическими пироэлектриками и позволили создать на их основе
пироприемники с высокими пироэлектрическими и эксплуатационными свойствами.
Пироэлектрические свойства формируются у пироэлектрика в процессе напыления,
мишень не требует проведения режима поляризации (как это необходимо в случае с
пировидиконом на ДТГС), что значительно снижает время готовности прибора.
Используемый пироэлектрический материал сохраняет свои пироэлектрические
свойства в течение 25 лет. Высокие эксплуатационные характеристики этого
материала подтверждаются серийно выпускаемыми на его основе в течение
длительного времени (с 1976 г.) пироэлектрическими приемниками МГ-30 и МГ-32 НПО
"Восток" (Новосибирск) [8].
Один из основных элементов ПЭОП – источник электронного потока, который должен
создавать пространственно-однородный поток электронов, используемый для
преобразования пространственного распределения потенциалов на пироэлектрической
мишени в видимое изображение на катодолюминесцентном экране. Источник электронов
в принципе может выполняться не обязательно с помощью фотокатода, а может быть
любого типа. Немаловажное требование, предъявляемое к источнику электронов, –
способ возбуждения электронного потока и состав активного вещества источника не
должны влиять на работоспособность пироэлектрической мишени, в том числе и в
процессе эксплуатации ПЭОП. Всем этим требованиям удовлетворяют несколько типов
источников электронов: фотокатод как элемент, традиционный для ЭОП, и
автоэмиссионный катод как элемент, который может быть использован в перспективе.
Ввиду того, что в качестве материала фотокатода был выбран палладий, работающий
в коротковолновой части УФ-спектра, в качестве входного окна для макетных
образцов прибора использовались кристаллы фтористого магния, прозрачного в
УФ-части спектра.
О результатах проделанной работы
· Впервые в мировой практике получено ИК-изображение на катодолюминесцентном
экране ЭОП с пироэлектрической мишенью, что практически доказывает возможность
создания ПЭОП как нового класса приборов преобразования излучения диапазона 8–14
мкм в видимое;
· на экспериментальных образцах зарегистрирована чувствительность по температуре
(МРТ) в 1К и разрешающая способность в 2,5 линии/мм (рис. 4).
Таким образом, хотя сам факт создания экспериментальных образцов ПЭОП подтвердил
правильность заложенных принципиальных технических решений, достигнутые значения
пространственного разрешения и температурной чувствительности еще очень далеки
от ожидаемых.
Дальнейшая отработка конструктивных вариантов ПЭОП с целью оптимизации
электронных процессов считывания и формирования изображения на
катодолюминесцентном экране, а также оптимизация технологических процессов
изготовления функциональных узлов и прибора в целом позволят в ближайшее время
достичь чувствительности микроболометрических приемников 0,05–0,1 К и разрешения
12–15 линий/мм и реализовать ожидаемые преимущества
Литература
1. Рекламные проспекты зарубежных фирм за 1997–2003 гг. Обзор ВИМИ.
2. Филачев А.М., Пономаренко В.П., Таубкин И.И., Ушакова М.Б.
Инфракрасные матрицы и тенденции их развития.—Труды XVIII международной
конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения.—М., 2004.
3. Певцов Е.Ф. Матричные ИК приемники и портативные системы
визуализации инфракрасного излучения. Труды XVIII международной конференции по
фотоэлектронике и приборам ночного видения. М., 2004.
4. Kummer S. The eye of the law.—SPIE's OE Magazine, October,
2003, 22–25.
5. Paul Muralt. Micromachined infrared detectors based on
pyroelectric thin films. Report on Progress in Physics V.64, 2001, pp.1339–1388.
(Ceramic Laboratory, Materials and Science Department, Swiss Federal Institute
of Technology EPFL, Lausanne, Switzerland).
6. Патент РФ № 2160479, приор. 23.06.1998 г. "Пироэлектрический
электронно-оптический преобразователь (варианты)./Гончаренко Б.Г.,
Брюхневич Г.И., Олихов И.М.
7. Дорожкин Л.М., Лазарев В.В., Плешков Г.М. и др.
Тонкопленочный пироэлектрический приемник на основе органических соединений для
измерения параметров импульсного лазерного излучения.—Квантовая электроника,
1983, 10, 6, 1107–1113.
8. Рекламный лист фирмы "Восток", 2001.