Например, Бобцов

Фотоприемные датчики и устройства телевизионных и оптико-электронных систем видеоинформатики

УДК 621.375; 551.51
ФОТОПРИЕМНЫЕ ДАТЧИКИ И УСТРОЙСТВА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ВИДЕОИНФОРМАТИКИ

© 2012 г. О. В. Алымов; Г. В. Левко, канд. техн. наук Центральный научно-исследовательский институт “Электрон”, Санкт-Петербург Е-mail: info@electron.spb.ru

Рассмотрены фотоприемные датчики и устройства ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов спектра, выпускаемые научно-исследовательским институтом “Электрон” для создания телевизионной и оптико-электронной аппаратуры видеоинформатики. Описаны основные параметры и особенности применения выпускаемых приборов.

Ключевые слова: видеоинформатика, электронно-оптический преобразователь, телевизионная система, электронно-оптическая система.

Коды OCIS: 040.0040, 040.1520, 040.5250

Поступила в редакцию 29.05.2012

Введение
Прикладные телевизионные и оптикоэлектронные системы активного и пассивного типа являются важной составной частью видеоинформатики [1]. Для корректного применения теории информации должны обязательно учитываться способы формирования

видеоинформации и основные характеристики датчиков и фотоприемных устройств [2]. Технические параметры телевизионных систем во многом определяются применяемыми преобразователями свет-сигнал [3, 4]. Основные направления работ ОАО ЦНИИ “Электрон” по созданию этих устройств иллюстрирует рис. 1.

Направления работ ОАО ЦНИИ
Электрон

Вакуумные приборы

Гибридные приборы

Твердотельные приборы

Комплексированные приборы

Рис. 1. Оптико-электронные преобразователи и фотоприемные устройства, выпускаемые ОАО ЦНИИ “Электрон”.

“Оптический журнал”, 79, 11, 2012

93

Твердотельные фотоприемные устройства
Линейные и матричные твердотельные преобразователи широко применяются при создании прикладных телевизионных систем различного назначения. ОАО ЦНИИ “Электрон” выпускает их для диапазонов длин волн от 0,2 до 1,1 мкм, а также для диапазона 3–5 мкм. Особенно интересны новейшие, уникальные разработки института – линейный ФППЗ с числом элементов 12 000 и разработанный совместно с дочерней компанией ОАО НПП “Элар” матричный ФППЗ “Квадро” с числом элементов 40964096.
Линейный фоточувствительный прибор с переносом заряда ЛФППЗ-12000 имеет 12000 фоточувствительных элементов размером 6,56,5 мкм (рис. 2). Прибор имеет 4 выходных узла, содержит индивидуальные секции для детектирования и накопления зарядовых пакетов. Имеется встроенный антиблюминг с кратностью пересветки не менее 100 раз. Предусмотрен режим электронного экспонирования (табл. 1). Разработанная архитектура и конструкция прибора позволили создать функциональный ряд ЛФППЗ с числом элементов 22600, 4700, 8000 и 12 000. Такое решение в четыре раза понизило тактовую частоту вывода информации, уменьшило тепловыделение и улучшило параметры переноса зарядов. Типовая характеристика относительной спектральной чувствительности ЛФППЗ приведена

Таблица 1. Основные параметры прибора ЛФППЗ-12000

Количество фоточувствительных элементов

12 000

Размер фоточувствительного элемента, 6,56,5 мкм

Диапазон спектральной чувствительности, нм

200–1100

Число выходных узлов

4

Динамический диапазон

5000

Чувствительность, В/Лк с

2,5

Относительная световая неравномерность, %

±10

Относительная темновая неравномерность, %

±1,0

Максимальная частота, МГц

5

Отн. ед.

на рис. 3. Приборы ориентированы на применение в спектроскопии, координатно-измерительных телевизионных системах, системах пространственной ориентации и космическом приборостроении. Учитывая большой линейный размер фоточувствительной области, большое количество элементов, широкий динамический диапазон и низкие шумы на их основе могут быть созданы телевизионные системы, имеющие сверхвысокое пространственное разрешение и чувствительность. Скорость цифрового видеопотока в таких системах может достигать 280–320 Мбит/с.
ФППЗ “Квадро” (рис. 4) имеет четыре независимых секции накопления. Матрица имеет центральную симметрию, два выходных регистра и четыре выходных узла. Архитектура прибора позволяет считывать сигнал через 1, 2 и 4 выходных узла. ФППЗ “Квадро” имеет 16 вариантов считывания видеоинформации и может работать в прикладных телевизионных системах, в системах преобразования и обработки изображения, а также в измерительных телевизионных системах. Основные параметры прибора приведены в табл. 2. Частота регистра до 40 МГц. Скорость цифрового видеопотока
1 см Рис. 2. Линейный фоточувствительный прибор с переносом заряда ЛФППЗ-12000.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0300 400 500 600 700 800 900 1000
Длина волны, нм Рис. 3. Типовая спектральная чувствительность приборов ЛФППЗ.

94 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012

Рис. 4. Фоточувствительный прибор с переносом заряда типа “Квадро”.

Таблица 2. Параметры ФППЗ “Квадро”

Число фоточувствительных элементов

40964096

Размер фоточувствительной области, мм

45,05645,056

Диапазон спектральной чувствительности, нм

350–1000

Размер фоточувствительного элемента, мкм

1111

Напряжение насыщения, В

1,1

Монохроматическая
чувствительность на  = 670 нм, В/мк Дж/см2

5

Среднее значение темнового сигнала, мВ/с

30

Среднеквадратичная неравномерность выходного сигнала, %

2

Шум на уровне 2,73, не более

20

Динамический диапазон

8000

в камерах на этом приборе может достигать 2,24 Гбит/с.
Развивая работы по ФППЗ “Квадро” ОАО ЦНИИ “Электрон” и ОАО НПП “Элар” проводят исследования по созданию тонкой матрицы, освещаемой с обратной стороны подложки (back illuminated, CCD). Основная цель этой работы – расширение спектраль-

ного диапазона до 200–1100 нм и получение квантовой эффективности в максимуме не менее 90%. Для максимальной реализации преимуществ, заложенных в технологии ФППЗ с обратной засветкой, разрабатывается вариант прибора в вакуум-плотном газонаполненном корпусе с охлаждением кристалла с помощью термоэлектрической батареи. Такое решение позволит существенно снизить собственные шумы прибора.
Для задач дистанционного зондирования Земли бывает недостаточен даже такой сверхкрупный формат прибора, как 4К4К. С этой целью разрабатывается вариант кристалла, предназначенный для сборки в фотоприемные массивы (“мозаики”) в фокальной плоскости. Конструкция кристаллов обеспечивает их сборку в фоточувствительный массив с минимальными зазорами между отдельными матрицами. Стыковка матриц будет возможна с четырех сторон. Зазор между ними может составить примерно 300 мкм.
В настоящее время институт ведет разработку крупноформатного ФППЗ с межстрочным переносом. Число элементов 10241024, размер элемента 15,815,8 мкм. Прибор должен обеспечивать межстрочный перенос и бинирование фоточувствительных ячеек (12 или 22), содержать два выходных узла и расщепленный горизонтальный регистр. Конструкция фоточувствительной ячейки должна предусматривать наличие электронного затвора для регулировки времени накопления.
Сочлененные и гибридные фотоприемные устройства
Важнейшим параметром прикладных телевизионных систем является их чувствительность. Она практически полностью определяется применяемым оптико-электронным преобразователем (датчиком). Для повышения чувствительности часто используют фоточувствительные модули на основе усилителя яркости и ФППЗ матрицы (рис. 5). Применяя ЭОП, можно легко изменять его чувствительность для адаптации к освещенности сцены меняя коэффициент усиления микроканальной пластины (МКП), а также использовать его в режиме электронного затвора. В табл. 3 приведены основные характеристики выпускаемых институтом высокочувствительных широкоформатных сочлененных фотоприемных устройств. В УФ области спектра для статиче-

“Оптический журнал”, 79, 11, 2012

95

Рис. 5. Широкоформатное сочлененное фотоприемное устройство.
ского режима работы без стробирования была достигнута чувствительность фотоприемника 10–8–10–9 Вт/см2.
Перспективным для телевизионных систем является применение электронно-оптического преобразователя 5-го поколения. Прибор представляет собой ЭОП с фотокатодом (например, типа S20) и анодом в виде электронно-чувствительной ФППЗ матрицы с числом элементов

768580 (табл. 4а, б). Скорость цифрового видеопотока у этого прибора может превышать 200 Мбит/с. Установка утоньшенной электронно-чувствительной матрицы внутрь вакуумного объема ЭОПа резко улучшает отношение сигнал-шум всего фотоэлектронного прибора. Фотокатод и электронно-чувствительная матрица находятся на сверхмалом расстоянии друг от друга (проксимити структура). В настоящий момент получено усиление до 800 раз при ускоряющем напряжении 6 кВ. Ожидаемая пороговая освещенность менее 510–5 лк, рабочая освещенность на фотокатоде 510–4 лк при отношении сигнал/шум не менее 30. Для увеличения чувствительности в состав ЭОПа могут быть интегрированы одна или две микроканальных пластины. Смена материала фотокатода позволяет создавать неохлаждаемые телевизионные системы для различных диапазонов спектра от “солнечно-слепого” УФ до ближнего ИК.
Основные направления проводимых нами исследований по созданию сочлененных и гибридных приборов:
 исследование новых материалов для фотокатодов,
 повышение быстродействия,

Таблица 3. Параметры сочлененых фотоприемных устройств

Наименование параметра Усилитель яркости, поколение

Фотоприемное устройство

“ФМТП-1” 2+/3

“ФМТП-3” 1 + 2+

“Сириус-Ф” 2+

Рабочее поле изображения, мм

9,813,1

2432

2432

Тип фотокатода

Мультищелочной Мультищелочной Мультищелочной

Диапазон спектральной чувствительности, мкм 0,38–0,85/0,5–0,9

0,40–0,85

0,40–0,85

Интегральная чувствительность фотокатода, мкА/лм Максимум спектральной чувствительности, нм ФППЗ матрица с кадровым переносом: – число элементов – размер элемента, мкм Габаритные размеры, мм Рабочая освещенность, лк Разрешающая способность при РО, твл Пороговая чувствительность, лк
Стробирование, нс

500–600/1500
600/800
760580 1734 Æ5065
210–4/110–4 500
210–6 (200 твл)
10

180–300
500
760580 1734
Æ89173 510–5 450–500 510–7
(200 твл) 10

400–500
600
760580 1734 Æ6386 210–4 500 510–7
(150 твл) 10

96 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012

Таблица 4а. Основные параметры гибридного прибора

Фокусировка

Проксимити

Наличие МКП

нет

Чувствительность, В/лк

300–400

Сигнал/шум при рабочей освещенности
Рабочая освещенность, лк
Пороговая освещенность, лк

30
510–4 510–5

Размер чувствительной области, мм 13,19,8

Разрешающая способность при РО, твл

400–450

Диапазон спектральной чувствительности, мкм

0,4–0,8

Размер элемента ФППЗ, мкм

1734

Число элементов

768580

 повышение чувствительности (вплоть до однофотонного режима),
 увеличение числа элементов ФППЗ до 10241024 и более,
 увеличение динамического диапазона,  увеличение входного фоточувствительного поля до 3648 мм,  устранение сцинтилляционных явлений в ЭОПе в процессе эксплуатации,  минимизация массогабаритных параметров,  минимизация энергопотребления.
Заключение
ОАО ЦНИИ “Электрон” выпускает широкую гамму одиночных, линейных и матричных

Таблица 4б. Спектральные характеристики гибридного прибора

Диапазон спектра

УФ Видимый ИК

Область спектральной 0,2–0,32 0,4–0,8 1,0–1,7 чувствительности, мкм

Квантовый выход фотокатода, %

8–10 10–20* 5–10

Спектральная чувстви- 15–20 тельность фотокатода, мА/Вт

40–80* 40–100

Усиление ЭЧ-ПЗС

400 400 400

Чувствительность прибора, А/Вт

5–10 15–30 15–40

* В максимуме чувствительности фотокатода.

оптико-электронных преобразователей для широкого класса прикладных телевизионных систем, работающих в диапазоне от “солнечно-слепого” УФ до среднего ИК диапазона. Как правило, все они имеют несколько вариантов, отличающихся конструкцией входного окна, наличием или отсутствием термоэлектрического холодильника и т. д. В качестве материала для входного окна может использоваться кварц, MgF2, а также оптоволоконная планшайба.
Размер элемента линейных датчиков варьируется от 6,56,5 до 132500 мкм, матричных от 1111 до 2432 мкм. Диапазон изменения числа элементов от 264 до 12 000 для линеек и от 265288 до 40964096 для матриц. Часть линейных ФППЗ имеет по две фоточувствительных области, расположенных на кристалле с высокой точностью, что позволяет использовать их в прикладных телевизионных измерительных системах.

*****

ЛИТЕРАТУРА
1. Грязин Г.Н. Телевидение как раздел видеоинформатики // Газета ИТМО. 2006. № 80.
2. Хромов Л.И., Цыцулин А.К. Основы космической видеоинформатики // Вопросы радиоэлектроники, серия “Техника телевидения”. 2011. В. 1. С. 7–31.
3. Минкин В.А., Левко Г.В., Стерлядкин О.К. Телевизионная система на сверхкрупноформатном ФППЗ 4К4К и рабочим полем 5050 мм // Техника средств связи, сер. “Техника телевидения”. 2011. С. 78–82.
4. Арутюнов В.А., Алымов О.В., Левко Г.В., Богатыренко Н.Г., Прокофьев А.Е. Линейные ФППЗ для специализированных телевизионных систем // Тезисы докладов 8-й международной конференции “Телевидение: Передача и обработка изображений”. СПб., 2011. С. 36–40.

“Оптический журнал”, 79, 11, 2012

97