Приемник-преобразователь изображений

Изобретение относится к устройствам оптоэлектроники и может быть использовано в процедурах регистрации физико-технических процессов, сопровождаемых ультрафиолетовым изучением. Приемник-преобразователь оптических изображений включает последовательно расположенные приемник-преобразователь изображений ультрафиолетового диапазона в изображение видимого диапазона и следующий за ним приемник изображений видимого диапазона с функцией усиления и цифрового преобразования. В качестве приемника-преобразователя ультрафиолетовых изображений в видимое используется алмазная мембрана, насыщенная SiV центрами, на входе которой установлен фильтр, вырезающий излучение в спектральной полосе 735…740 нм, а на выходе мембраны установлен фильтр, пропускающий излучение в спектральной полосе 735…740 нм. Изобретение обеспечивает уменьшение массы и габаритов приемника-преобразователя изображений. 1 ил.

 

Данное изобретение относится к приемникам-преобразователям оптических изображений. Оно может быть использовано для пропорционального преобразования картины оптических изображений ультрафиолетового диапазона в картину изображений в видимой части оптического диапазона, с возможностью ее последующего цифрового преобразования.

Аналогами заявляемого устройства, близкими по спектру выполняемых задач, являются приемники изображений архитектуры ЭОП (электронно-оптические преобразователи), чувствительные в диапазоне вакуумного ультрафиолета (λ=0,15…0,27 мкм) [1, 2]. Они позволяют регистрировать и преобразовывать УФ изображения в диапазоне освещенностей 10^-4…10² люкс, с пороговой чувствительностью не хуже 10^-11 Вт/(Гц)^0,5, при спектральной чувствительности в 30…40 мА/Вт.

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) относятся к фотоэмиссионным приборам, и требуют использования прецизионных высоковакуумных технологий и вакуумно-плотных (10^-9 мм рт.ст.) корпусов. Кроме того, для работы ЭОП требуется автономный источник высоковольтного питания и высоковольтный преобразователь напряжения. Все это становится причиной высокой себестоимости изделий, увеличивает массу и габариты устройств, а также габариты систем их использующих.

При решении целого ряда задач (разработка компактных очков для УФ-видения, разработка устройств мониторинга УФ изображений миниатюрных объектов, разработка автономных миниатюрных устройств для мониторинга подводных, воздушных и космических объектов в УФ- диапазоне, и др.), необходимы миниатюрные энергетически экономичные приемники изображений. К таковым можно было бы отнести твердотельный преобразователь изображений, в составе фоточувствительного (полупроводникового) и высокоомного электрооптического (электролюминофора) слоя, отделенных друг от друга прозрачными слоями диэлектрика [3]. В основе работы такого преобразователя лежит интеграция ряда физических эффектов, таких как внутренний фотоэффект, полевой эффект и электрооптический эффект. Пороговая интегральная фоточувствительность указанного твердотельного преобразователя, определяемая фоточувствительностью полупроводника и пороговой чувствительностью электролюминофора составляет в лучшем случае 10^-6…10^-7 Вт/см² (это при использовании в качестве фоточувствительного слоя - GaAs полупроводникового слоя). В обсуждаемом твердотельном преобразователе локальные вариации интенсивности оптического изображения, вызывают локальную модуляцию потенциала на границе раздела полупроводник/диэлектрик. Ее величина будет зависит не только от внутренней квантовой эффективности полупроводника (фотоприемного слоя), но и от поверхностных состояний на границе раздела полупроводник/диэлектрик (она приемлемая для Si/SiO₂, а для арсенида галлия она неудовлетворительна). Кроме того, фотогенерируемый потенциал корневым образом зависит от концентрации рожденных и локализованных потенциальным рельефом неосновных носителей, которые модулируют потенциал близ границы диэлектрик/электролюминофор, вызывая локальную модуляцию интенсивности электролюминесценции. Все это определяет коэффициент преобразования устройства в целом, так что расчетная пороговая интегральная фоточувствительность обсуждаемого твердотельного преобразователя составляет в лучшем случае 10^-6…10^-7 Вт/см² (это при использовании в качестве фоточувствительного слоя - GaAs полупроводникового слоя, и игнорировании вклада в модуляцию фотопонециала пограничных состояний). Заметим, также, что в случае преобразования УФ картины изображений пришлось бы использовать широкозонные полупроводники, фоточувствительность которых значительно хуже нежели у арсенида галлия, а плотность состояний на границе раздела полупроводник/диэлектрик также велика (более 10¹¹ см^-2). И наконец, яркость картины изображений на выходе устройства, даже при интенсивности картины изображений соответствующей указанной пороговой чувствительности, невелика и для визуального восприятия глазом изображения (чувствительность ~ 10^-7 Кд) непременно потребует использования дополнительных устройств усиливающих яркость изображений.

Прототипом наиболее близким по конструкции мы выбираем гибридный двухкаскадный преобразователь ИК изображений, в котором первый каскад имеет ЭОП архитектуру и выполняет функцию высокочувствительного аналогового приемника-преобразователя картины изображений ультрафиолетовой части диапазона в картину изображений в видимой части спектрального диапазона (без МКП пластины), а вторым каскадом является фоточувствительная матрица ПЗС осуществляющая накопление сигнала и его цифровое преобразование [4]. Исключение МКП пластины в первом каскаде позволяет существенно увеличить в нем и в устройстве в целом отношение сигнал-шум, так как МКП является наиболее интенсивным источником шума. Стоимость среднего качества гибридных ЭОП составляет ~ 60…70 тыс.рублей. При этом, стоимость включенной в его состав фоточувствительной приемной матрицы ПЗС массивом в 1024×1024 пикселей не превышает 5…10 тыс.рублей, а для питания собственно ПЗС используется маломощный низковольтный в миниатюрном исполнении источник питания с преобразователем кода выходного сигнала.

Задачей изобретения является уменьшение размеров, массы и габаритов солнечно-слепого приемник-преобразователя изображений, чувствительного в области вакуумного ультрафиолета (λ≈180…270 нм).

Задача решается посредством предложения альтернативной миниатюрной конструкции твердотельного преобразователя оптических изображений, представляющей совокупность последовательно расположенных пластин в составе: пластины полосового фильтра вырезающего из падающего потока излучений полосу спектрального диапазона 730…740 нм; подложку несущую поликристаллическую либо монокристаллическую алмазную мембрану насыщенную SiV центрами, и выполняющую функцию приемника-преобразователя УФ изображений в изображения видимого диапазона (738 нм); пластины полосового фильтра прозрачного только для полосы спектрального диапазона 730…740 нм.

Изображение на выходе устройства реализуется в видимой глазом части оптического диапазона (738 нм), поэтому может восприниматься глазом. Однако, для усиления яркости изображения желательно использовать приемник изображений позволяющий усилить яркость выходного изображения. Таковым приемником изображений, чувствительным в спектральном диапазоне 730…740 нм, может быть ПЗС фотоприемная матрица, входное окно которой должно иметь оптический контакт с тыльной стороной выходного полосового фильтра.

Данная формула охватывает как чисто твердотельный, так и гибридный варианты конструкций.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства, работа которого осуществляется следующим образом. Картина изображений в ВУФ диапазоне, проецируемая ультрафиолетовой оптикой на алмазную мембрану (поз. 2) насыщенную SiV центрами (приемник-преобразователь), индуцирует в ней переходы неравновесных носителей по механизму зона-зона (5,4-5,5 эв, ~ 0,27 мкм), которые за времена существенно меньшие характерного времени рекомбинации по механизму зона-зона, захватываются на донорно-акцепторные уровни SiV центров с последующей излучательной рекомбинацией с испусканием оптических квантов (антистоксовая люминесценция) с энергией 1,67…1,69 эВ (~ 738 нм). Для предотвращения прямого попадания на ПЗС фонового излучения окружающей среды в спектральной полосе энергий соответствующей 730-740 нм, перед обсуждаемой алмазной мембраной устанавливается фильтр (поз. 1), «вырезающий» (не пропускающий) в потоке входного излучения спектральную полосу 730…740 нм. Преобразованная УФ картина (λ≈180…270 нм) изображений в картину изображений в видимом диапазоне (λ≈730...740 нм) проецируется на приемное поле фоточувствительной матрицы ПЗС (поз. 4), предварительно проходя через полосовой фильтр, (поз. 3) пропускающий только преобразованное излучение спектрального диапазона 730…740 нм и отсекающий излучения всей другой части видимого спектра. Полный коэффициент преобразования устройства составит 1…3%.

Из выше изложенного следует, что предлагается приемник-преобразователь оптических изображений, представляющий совокупность последовательно расположенных приемника-преобразователя оптических изображений ультрафиолетового диапазона (190…270 нм) в изображения видимого диапазона (738 нм) и следующего за ним приемника изображений видимого диапазона с функцией усиления и цифрового преобразования, отличающаяся тем, что в качестве приемника-преобразователя ультрафиолетовых изображений в видимое используется алмазная мембрана насыщенная SiV центрами, на входе которой установлен фильтр вырезающий (не пропускающий) излучение в спектральной полосе 735…740 нм, а на выходе мембраны установлен фильтр, пропускающий только излучение в спектральной полосе 735…740 нм.

Ожидаемая квантовая эффективность прямого оптического преобразования УФ картины изображений ИК алмазной мембраной при концентрации SiV центров на уровне 5×10¹⁹ достигает ~ 10%, так что с учетом пороговой чувствительности ПЗС (~ 0,05-0,1 лк) ожидаемый динамический диапазон чувствительности по входу для предлагаемого нами устройства для системы фильтр₁/алмаз/фильтр₂/ПЗС составит 0,5…10² люкс. Для улучшения пороговой чувствительности приемника-преобразователя возможен гибрид твердотельный преобразователь/цифровой ЭОП, в этом случае реализуется система фильтр₁/алмаз/фильтр₂/ЭОП:ПЗС, ожидаемый динамический диапазон которой приблизится к 10^-4…10³. Себестоимость изделия оптического твердотельного преобразователя, выполненного по схеме фильтр₁/алмаз/фильтр₂/ПЗС (с динамическим диапазоном по освещенности 0,5…10² люкс), не превысит 10... 15 тыс.рублей, а гибридной системы фильтр₁/алмаз/фильтр₂/ЭОП/ПЗС (с динамическим диапазоном по освещенности 10^-4…10³) не превысит 50 тысяч рублей.

Источники информации

[1]. V.A.Bespalov, V.M.Glazov, Е.А.

I'ichev,Yu.A.KIimov,V.Kuklev,A.E.Kuleshov,R.M.Nabiev,G.N.Petrukhin, B.G.Potapov,D.S.Socolov,V.V. Fandeev,E.A.Fetisov,S.S.Yakushov.«Desing and Invetigation of UV Image Detectors». // TECHNICAL PHYSICS Volume: 60 Issue: 4 Pages: 553-560 DOI: 10.1134/S1063784215040076 Published: APR 2015 [2]. B.A. Беспалов, Э.А.Ильичев, Ю.А. Климов, С.В. Куклев, А.Е. Кулешов, Г.Н. Петрухин, Б.Г. Потапов, Г.С. Рынков, Д.С. Соколов, С.С. Якушов. «Приемники изображений ультрафиолетового диапазона. «Микро- и нанотехнологии в электронике».

Материалы VI международной научно-технической конференции. Нальчик. Кабардино-Балкарский университет, с 1 по 6 мая 2014. С. 308-313. ISBN 978-5-93680-789-3. Опубликовано Февраль 2014 г.

[3]. И.С. Гибин, В.П. Котенко, В.Л. Шурман. Твердотельный преобразователь изображений.//Доклады АН ВШ РФ (Технические науки). №1 (22).2014. С.44-50 [4]. А. Медведев, Д.С.Соколов. Высокоэффективный гибридный преобразователь изображения. //Фотоника. №6, в. 36, с. 42-49, 2012

Приемник-преобразователь оптических изображений, представляющий совокупность последовательно расположенных приемника-преобразователя изображений ультрафиолетового диапазона в изображение видимого диапазона и следующего за ним приемника изображений видимого диапазона с функцией усиления и цифрового преобразования, отличающийся тем, что в качестве приемника-преобразователя ультрафиолетовых изображений в видимое используется алмазная мембрана, насыщенная SiV центрами, на входе которой установлен фильтр, вырезающий (не пропускающий) излучение в спектральной полосе 735…740 нм, а на выходе мембраны установлен фильтр, пропускающий излучение в спектральной полосе 735…740 нм.