Тенденции развития тепловизионных и мультиспектральных фотоприёмных устройств
По материалам XXVI научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения
25 – 27 мая 2022 г. в Москве на территории предприятия НПО «Орион» прошла очередная, уже 26-я по счёту, конференция посвящённая вопросам развития фотоэлектронной техники. Этого события специалистам отрасли пришлось ждать целых четыре года из-за проблем, связанных с пандемией коронавируса.
Многие научные материалы данной конференции были направлены на определение тенденций развития современной фотосенсорики и в этой статье мы обозначим наиболее актуальные из них. Прежде всего обращает на себя внимание продолжающаяся борьба за увеличение формата фотоприёмных матриц при уменьшении шага пикселя, сопряжённая с уменьшением их массогабаритных характеристик и удешевлении производства. Ведь если говорить, например, об охлаждаемых фотоприёмных устройствах (ФПУ) средневолнового ИК диапазона (3-5 мкм), то главными сдерживающим факторам их широкого распространения является необходимость охлаждения тепловизионных детекторов до температуры жидкого азота (78К). В связи с этим сейчас активно развиваются т.н. НОТ (High Operating Temperature) технологии изготовления средневолновых ИК детекторов, позволяющие повысить рабочую температуру до 150К, что приводит к существенному снижению массы и энергопотребления ФПУ, делая возможным его использования в носимых тепловизионных приборах или установку на компактные БПЛА. В зависимости от состава самого детектора (CdHgTe или InSb) существует две основные НОТ технологии по снижению темнового тока, ответственного за уровень охлаждения:
- Легирование многослойных гетероструктур КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), мышьяком и индием.
- Использование вместо объёмных кристаллов InSb модулей легированных слоёв InSb, InAlSb, InSbAs или гетероструктур на их основе, которые выращены тем же методом МЛЭ.
Однако повышение рабочей температуры средневолновых ИК ФПУ до 150К не является пределом, теоретически возможно увеличение данного параметра до 200К и более, что в перспективе возможно позволит отказаться от громоздких микро-криогенных систем (МКС) и перейти к более компактным схемам охлаждения, например построенных на основе элемента Пельтье, который уже давно используется в коротковолновых (0,9 – 1,7мкм) тепловизионных камерах.
Другой проблемой, сдерживающей распространение тепловизоров, является высокая стоимость изготовления ФПУ. На сегодняшний день гибридная схема изготовления тепловизионных матриц сводится к размещению фоточувствительных элементов на кремниевом мультиплексоре (микросхема считывания и обработки сигнала). Эта процедура достаточно сложна и имеет высокую себестоимость, что обусловлено необходимостью уравнивания коэффициента термического расширения фоточувствительных структур и кремниевой подложки. Для решения данной проблемы была разработана технология выращивания многослойных гетероструктур КРТ (теллурид кадмия и ртути) на кремниевых подложках большого диаметра, благодаря чему не только удаётся без труда согласовывать коэффициенты термического расширения, что снижает себестоимость продукции, но и увеличить эксплуатационный ресурс ИК ФПУ. Сейчас ведутся исследования по принципиально новому способу изготовления тепловизионных детекторов на коллоидных квантовых точках, что должно радикально уменьшить стоимость тепловизионных приборов.
Помимо коллоидных квантовых точек в качестве наноматериала для тепловизионных детекторов будущего рассматриваются и другие двумерные графеноподобные структуры, причём наибольшую эффективность, согласно результатам исследований, они имеют прежде всего в коротковолновом и в меньшей степени в средневолновом ИК диапазоне. Что же касается длинноволнового ИК диапазона (8-14мкм), который как известно формирует самая широкая зона атмосферного пропускания, то там детекторы на основе наноразмерных веществ работают пока не очень стабильно и только при комнатной температуре. Однако существуют технологии и для улучшения свойств длинноволновых тепловизионных ФПУ. Одной из них является технология поляриметрической визуализации, которая позволяет выделять искомые объекты из фона с помехами и при малых энергетических контрастах, что даёт возможность различать естественные и привнесённые в среду цели наблюдения.
Ещё одним перспективным направлением тепловидения может стать, казалось бы, уже давно вытесненная микроболометрами и почти окончательно забытая пироэлектрическая технология, которая в своё время была представлена неохлаждаемыми пироэлектрическими преобразователями теплового излучения в видимый спектр, именуемыми пириконами или пировидиконами.
Главным недостатком таких приборов была весьма габаритная схема реализации при отсутствии внутреннего усиления сигнала, поэтому их использование ограничивалось лишь рядом специальных применений. Однако, на современном технологическом уровне при привлечении пироэлектрических плёнок на основе SBN и относительно компактного электронно-оптического усилителя становится возможным создание пироэлектрического тепловизионного оборудования, обладающего улучшенными характеристиками. При этом, пироэлектрическим ФПУ, в отличие от микроболометрических матриц, не нужен мультиплексор, роль которого выполняет считывающий электронный пучок пирикона, сканирующий распределение потенциала, вызванное ИК излучением. На основе современных пироэлектрических преобразователей возможно создание мультиспектральных систем визуализации, работающих в спектральном диапазоне от 1 до 14мкм и даже в области терагерцового излучения.
Продолжается также совершенствование и мультиспектральных камер с применением КМОП и ПЗС сенсоров со спектральной чувствительностью от 0,2 до 1мкм, включая гибридные ФПУ с фотоумножителями на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и с использованием прочих технологических возможностей. Причём речь тут идёт не только про увеличение разрешения матрицы и уменьшении размера пикселя, но и про повышение чувствительности фотодетектора и дальности обнаружения объектов. Одним из примеров достижения этих целей может служить непосредственное сопряжение сенсора и системы термоэлектрического охладителя в единый фотоприёмный узел:
Такое конструктивное решение, помимо прочего, позволяет повысить универсальность применения данного ФПУ.
В заключении следует отметить, что все вышеперечисленные технологические новшества не исчерпывают информационного контента конференции, где звучали доклады и по другим актуальным темам развития фотосенсорики.