Инфракрасное крупноформатное сканирующее матричное фотоприемное устройство

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.

 

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, InxGa1-xAs, CdxHg1-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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике. Полый цилиндр 1 состоит из двух половинок.

Изобретение относится к системам автоматической очистки солнечных панелей. Устройство очистки солнечной панели, содержащее источник питания, соединенный с солнечной панелью, датчики контроля загрязнения и провода, расположенные на поверхности солнечной панели, отличающееся тем, что провода выполнены с возможностью колебания и переплетены друг с другом в виде решетки, установленной на поверхность солнечной панели, при этом в качестве источника питания используют источник переменного тока, а датчики контроля загрязнения выполнены в виде датчиков натяжения проводов, расположенных по всей внешней грани решетки из проводов.

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.В солнечной батарее согласно изобретению несущая панель состоит из лицевой и тыльной обшивок, изготовленных из листов упругого материала, перфорированного для облегчения, и соединенных между собой ребрами жесткости, изготовленными из упругого материала; солнечные элементы с наклеенной на каждый из них тс лицевой стороны оптически прозрачной защитной пластиной и защитной пластиной с тыльной стороны, приклеены к лицевой обшивке панели, причем окна перфорации выполнены, а ребра жесткости расставлены в соответствии с габаритами солнечных элементов, с шагом, соответствующим шагу расстановки солнечных элементов.

Изобретение относится к приемникам инфракрасного излучения оптоэлектронных контрольно-измерительных приборов, таких как пирометры спектрального отношения и детекторы пламени.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается двухканального инфракрасного приемника излучения. Приемник излучения включает в себя выполненную на подложке тонкопленочную матричную структуру снабженных оптическими фильтрами фотогальванических элементов на основе селенида свинца.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики. Тандемный металлооксидный солнечный элемент содержит два расположенных один под другим по ходу светового потока металлооксидных солнечных элемента (МО СЭ) на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного металлооксида, имеющих общий промежуточный токосъемный контакт, при этом согласно изобретению общий промежуточный токосъемный контакт размещен на стеклянной подложке, расположенной между верхним и нижним по ходу светового потока МО СЭ, на которую со стороны, обращенной к верхнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесен проводящий слой платины, являющийся для верхнего МО СЭ противоэлектродом, а с противоположной стороны стеклянной подложки, обращенной к нижнему по ходу светового потока МО СЭ, нанесено проводящее покрытие из оксида олова, допированного фтором или индием, служащее для нижнего МО СЭ проводящим электродом, при этом верхний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 400-650 нм, а нижний по ходу светового потока МО СЭ сенсибилизирован органическим красителем, поглощающим солнечный свет в диапазоне длин волн 650-1000 нм.

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации возобновляемых, вторичных тепловых энергоресурсов и тепловой энергии природных источников.

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием концентраторов солнечного излучения, и может быть использовано в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Изобретение относится к солнечной панели, используемой в хронометре стрелочного типа, таком как наручные часы, или в измерительном устройстве стрелочного типа, таком как счетчик, и к хронометру, включающему в себя солнечную панель.

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи. Техническим результатом является повышение быстродействия.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации. Технический результат: расширение допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R0.

Изобретение относится к способам измерения параметров инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ), работающих в режиме накопления. Технический результат - повышение производительности измерения.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к области оптико-электронной техники. .

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано при изготовлении приборов ночного видения с электронно-оптическими преобразователями второго - третьего поколений с микроканальными пластинами.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов ночного видения с электронно-оптическими преобразователями второго-третьего поколений с микроканальными пластинами.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ и терагерцовом диапазонах длин волн. Способ включает в себя направление электромагнитного излучения на чувствительный элемент приемника излучения, преобразование его в тепловую или другой вид энергии и ее регистрацию.

Изобретение относится к инфракрасным сканирующим матричным фотоприемным устройствам - 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 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.

Наверх