fbpx
Назад
22 апреля, 2022

Современные типы охлаждаемых тепловизионных детекторов

Как известно, инфракрасные камеры являются приборами, принимающими тепловое излучение и преобразующими его в видимый диапазон электромагнитных волн, по этой причине все ИК матрицы в той или иной степени подвержены нагреву. В каких-то случаях температурой нагрева тепловизионного детектора можно пренебречь (к этой категории относится большинство длинноволновых ИК приборов, работающих в диапазоне 8-14 мкм), но, когда речь идёт об использовании тепловизионных матриц с повышенной чувствительностью, необходимо искусственное охлаждение, призванное предотвратить перегрев детектора, который чреват потерей работоспособности прибора.

В ситуации с камерами коротковолнового ИК спектра (т.н. SWIR диапазон, 0,9 – 1,7 мкм) чаще всего бывает достаточно электро-механического охлаждения (ТЕС) на основе элемента Пельтье, однако для охлаждения средневолновых (3-5 мкм) тепловизионных матриц необходимо достижение криогенных температур (70-80 К), которое достигается благодаря применению микрокриогенных систем (в большинстве случаев – это МКС Стирлинга, но иногда применяется и система Джоуля-Томпсона). Ниже на рисунке представлена схема размещения и состав тепловизионного детектора внутри охлаждаемого при помощи МКС Стирлинга модуля фотоприёмного устройства (МФПУ):

На данной схеме видно, что тепловизионный детектор располагается внутри сосуда Дьюара на верхней площадке т.н. холодного пальца, по которому осуществляется отвод тепла при помощи циркуляции гелия, происходящей по замкнутому контуру. Структура самого детектора примерно одинакова как у охлаждаемых, так у неохлаждаемых фотоприёмников, главные различия заключаются в составе материала, из которого состоит, поглощающий ИК лучи, слой. Варианты охлаждаемых тепловизионных детекторов, существующих на сегодняшний день, будут рассмотрены ниже.

Виды охлаждаемых фотоприёмных матриц

При изготовлении первых охлаждаемых МФПУ, поступивших в массовое производство, использовался детектор на основе тройного полупроводникового соединения кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe), чаще обозначаемого аббревиатурой КРТ. Данный тип детектора до сих пор пользуется большой популярностью у производителей и применяется при изготовлении охлаждаемых МФПУ, работающих в различных тепловизионных диапазонах. Гораздо реже, из-за высокой стоимости, используется соединение кадмий-цинк-теллур (CdZnTe). В последние годы в средневолновых МФПУ (длина волны 3-5 мкм) наметилась тенденция вытеснения детекторов на КРТ детекторами на основе антимонида индия (InSb и Xbn). Это обусловлено лучшими техническими показателями последних (меньшее количество дефектных пикселей и более высокое быстродействие).

Средневолновый МФПУ

       

В коротковолновом ИК диапазоне (0,9 – 2,5 мкм) чаще всего используются детекторы, изготовленные с применением тройного полупроводникового соединения, индий-галлий-арсенид (InGaAs).

Определённые преимущества и недостатки имеет не так давно появившийся тип ИК детектора на квантовых ямах (QWIP), в котором используется эффект размерного квантования электронов и дырок в области квантовой ямы в гетеропарах GaAs/AlGaAs. Эта разновидность фотоприёмной матрицы применяется в средневолновых (MWIR) и длинноволновых (LWIR) охлаждаемых МФПУ, она отличается повышенной чувствительностью, однако вместе с этим выдаёт недостаточно чёткое изображение, тем не менее такой вид МФПУ хорошо работает в газодетекторных камерах, где важно определить на расстоянии место и интенсивность газовой утечки, при этом сам её контур не так важен.

Наиболее перспективной технологией для создания охлаждаемых тепловизионных детекторов на данный момент считается применение полупроводниковых сверхрешёток II типа (Type-II superlattice – T2SL) на основе гетеропар InAs/InSb, InAs/GaInSb, InSb/InAsSb. Пока что таких фотоприёмников сделано не так уж и много, но именно эта технология позволяет конструировать мультиспектральные ИК матрицы и матрицы с расширенным диапазоном.

Классификация охлаждаемых МФПУ

Как уже было отмечено выше, охлаждаемые МФПУ делятся по спектральному диапазону, в котором они работают (SWIR, MWIR и LWIR). Эти диапазоны определяются зонами атмосферной пропускаемости для ИК излучения. Кроме того, данные приборы могут иметь различное пиксельное разрешение тепловизионной матрицы, наиболее распространёнными форматами являются 320 х 256, 640 х 512 и 1280 х 1024, хотя для решения определённых задач могут использоваться и любые другие форматы вплоть до 4К. Помимо разрешения, другой важной характеристикой тепловизионной матрицы считается шаг пикселя, размер которого располагается в интервале от 30 до 5мкм. Чем меньше размер пикселя, тем выше степень детализации получаемого изображения. В длинноволновом ИК диапазоне также существуют не только матричные охлаждаемые МФПУ, но и линейные, например с разрешением 288 х 4 или 576 х 6, в которых используется принцип построчной интеграции изображения. Конечно, быстродействие таких тепловизионных детекторов оставляет желать лучшего, но зато качество итоговой картинки значительно выше, чем у матричных фотоприёмных устройств.

Отдельно следует упомянуть двухдиапазонные или, как их ещё называют специалисты, двухцветные матрицы с переключаемым спектральным режимом работы (3-5мкм/8-12мкм):

Переключение диапазонов позволяет использовать в одном МФПУ преимущества каждого из них по отдельности, так на средней ИК волне лучше видно тепловое распределение на дальних дистанциях, а на длинной – на средних и коротких.

В свою очередь коротковолновый ИК диапазон зачастую хорошо совмещается с видимым спектром (камеры VIS-SWIR; 0,4-1,7 мкм), что позволяет улучшить видимость наблюдательных приборов не только в условиях отсутствия освещённости, но и при прочих визуальных помехах (затемнённое стекло, осадки, туман, пыль и т.п.):

Тенденции развития охлаждаемых МФПУ

Говоря о будущем развитии охлаждаемой тепловизионной техники, следует упомянуть следующие тенденции, которые проявили себя уже в настоящее время:

  1. Окончательный переход на мегапиксельные матрицы и сверхдлинные линейные детекторы. При этом увеличение формата тепловизионных матриц одновременно будет сопровождаться уменьшением шага пикселя.
  2. Создание высокотемпературных МФПУ с рабочей температурой до 150 К и выше, что в будущем возможно позволит отказаться от технически сложных систем охлаждения тепловизионных матриц, таких как МКС, и уменьшить габариты охлаждаемых фотоприёмных устройств, а также их массу и потребляемую мощность.
  3. Повышение функциональных возможностей охлаждаемых тепловизионных камер (создание 3D изображений в ИК диапазоне и т.д.).
  4. Появление трёхспектральных МФПУ, объединяющих в себе возможность визуализации всех трёх ИК диапазонов (SWIR, MWIR и LWIR).
  5. Расширение спектра визуализации камер коротковолнового ИК диапазона (от UF до MWIR).
  6. Развитие МФПУ на квантоворазмерных структурах, главным образом на сверхрешётках 2-го типа (T2SL).
  7. Предобработка ИК сигнала в охлаждаемой зоне, т.е. в момент его приёма, что позволит увеличить скорость интеграции изображения.
  8. Расширение списка материалов, используемых для производства охлаждаемых ИК детекторов, за счёт применения 2D структур (графен и другие).
  9. Создание сверхдлинноволновых МФПУ (от 15 мкм и дальше).
  10. Увеличение чувствительности охлаждаемых термоизмерительных тепловизионных камер при одновременном уменьшении оптических шумов. 

Рекомендованные товары