CC BY
168
УДК 681.785:536.5
Г. С. Мельников, В. М. Самков, Ю. И. Солдатов
ФГУПНПК„Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова"
Санкт-Петербург
Н. А. Клишо
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ"
, В. В. Коротаев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА СВЕРХРАЗРЕШЕНИЯ ПРИ КОМПЛЕКСИРОВАНИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО И ИК-ДИАПАЗОНОВ
НА QWIP-МАТРИЦАХ
Обсуждаются возможности построения комплексированной системы ИК- и те-рагерцового диапазонов. Анализируются принципы реализации режима сверхразрешения для дальнего диапазона чувствительности QWIP-матрицы.
Ключевые слова: QWIP-матрица, сверхразрешение, комплексированная система.
При комплексировании ИК- (Д^=2,8...14 мкм) и СВЧ- (Д^=300 мкм ... 3 мм) каналов необходимо учитывать, что между этими диапазонами электромагнитных колебаний находится терагерцовый (ТГц) диапазон (Д^=30.. .300 мкм).
В обзоре [1] рассмотрены публикации (более 300 работ, опубликованных в 1990—2002 гг.) в области генерации, регистрации и использования излучения в терагерцовом диапазоне частот, соответствующем длинам волн 3—300 мкм. (Следует отметить, что ряд авторов, включая и авторов работы [1], ошибочно относят ИК-диапазон 3—30 мкм к ТГц-диапазону.)
Использование аппаратуры пассивного и активного радиовидения ТГц-диапазона позволяет решить некоторые практические задачи, а именно:
— таможенный досмотр ручной клади и нательное обнаружение запрещенных к перевозке предметов;
— определение химического состава сыпучих материалов и жидкостей по их интерференционному отклику на активное когерентное излучение;
— анализ и распознавание текстов, находящихся в запечатанных конвертах или на закладках транспарантов между страницами книг.
Однако при создании комплексированных систем ИК- и ТГц-диапазонов возникает задача совмещения изображений, формируемых в этих диапазонах, дифракционные пределы которых отличаются на порядок. Возможность построения матричных фотоприемников, чувствительных как в ИК-, так и в ТГц-диапазоне спектра электромагнитных колебаний, рассмотрена, например, в работах [2—4].
Современные фотоэлектрические приемники ИК-диапазона могут быть выполнены на основе различных материалов: халькогенидов свинца (РЬБ, РЬБе), соединения кадмий — ртуть — теллур (Н^СёТе), антимонида индия (1пБЬ), силицида платины (Р1Б1), примесных соединениях кремния (Б1:х) и германия (Ое:х), а также многослойных структур с квантовыми
Э. Д. Панков
ямами на базе GaAs/AlGaAs — так называемых QWIP-детекторах (QWIP — Quantum Well Infrared Photodetector.)
Рассмотрим, на примере некоторых публикаций, перспективы разработок QWIP-детек-торов. Первоначально наибольший интерес вызывали сверхрешетки — многослойные периодические гетероструктуры с чередующимися слоями полупроводников толщиной 1—10 нм. Наиболее простой и совершенной структурой здесь остаются сверхрешетки GaAs/AlGaAs, хотя создание сверхрешеток на основе других комбинаций полупроводников (А3В5, А2В6 и напряженных слоев Ge—Si) достаточно хорошо освоено. В таких структурах потенциал с периодом d сверхрешетки приводит к размерному квантованию электронного спектра и возникновению узких минизон в электронной и дырочной зонах соответственно, что проявляется в радикальном изменении оптических и транспортных свойств этих структур [2].
В 90-е гг. ХХ в. появились тепловизионные приборы на QWIP-матрицах форматом 256^256, 320^240, 320x256, 640x512 и др., обладающие высокой технологичностью, воспроизводимостью и поэлементной однородностью. Температурная чувствительность таких матричных приемников довольно высока: у лучших — ниже 10 мК, у типовых — 20 мК. Кроме того, QWIP-матрицы обладают способностью управления спектральной чувствительностью, что позволит перейти в будущем от гибридных структур фокальных матриц к монолитным [5].
Расширение области чувствительности фокальных фотоприемных матриц, первоначально названных оптоэлектронными приборами (наноструктуры с так называемыми квантовыми точками QD — quantum dots) [6], получившими впоследствии название QWIP-матрицы — матрицы ИК-фотоприемников с множественными квантовыми ямами (структура GaAs/AlGaAs), осушеств-лялось постепенно. Принципы расчета области чувствительности таких матриц и эволюция технологической отработки чувствительных элементов (ЧЭ) рассматриваются в работах [5, 7—11].
Технологическая отработка матриц осуществляется посредством расширения диапазона чувствительности ее элементов и совершенствования параметров чувствительности, что отражено, например, в публикациях [5, 12]. В этих работах отмечается, что в последние годы разработан унифицированный ряд многооконных модулей, предназначенных для использования в оптико-электронных системах различного назначения, и созданы макетные образцы модулей матричных двухоконных фотоприемных устройств (на 3—5 и 8—12 мкм) на основе структур с квантовыми ямами, а также образцы матричных микроболометрических приемников излучения.
В наибольшей степени требованиям к разработке многооконных систем удовлетворяют фотоприемники на основе квантово-размерных эффектов (КРЭ). Физические структуры таких фотоприемников могут быть получены методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющей формировать на подложке монокристаллические полупроводниковые (1111) слои с необходимыми свойствами и размерами, вплоть до моноатомной толщины. В качестве технологического обеспечения для выполнения этих работ могут использоваться, например, результаты разработки гетероэпитаксиальных структур GaAs/AlGaAs и GaAs/CdHgTe методом МЛЭ [13, 14].
Фотоприемники на основе КРЭ, по сравнению с другими аналогичными устройствами, обладают таким уникальным свойством, как возможность варьирования области их спектральной чувствительности путем изменения ширины квантовой ямы (которая определяется толщиной слоя узкозонного полупроводника и является параметром размера) и ее глубины, зависящей от размера призменных элементов, контактирующих с зонами проводимости широкозонного и узкозонного ПП-материалов. Благодаря этому свойству появляется возможность в рамках единого процесса на основе двух пар 11 -материалов с различной шириной запрещенной зоны получать монолитные матрицы фоточувствительных элементов, по крайней мере, с двумя различными окнами (областями спектральной чувствительности). При этом выбор пар материалов не имеет принципиального значения.
Принцип формирования мультиспектральных приемников на основе структур с квантовыми ямами продемонстрирован на заимствованном из работы [3] рис. 1, где а — профили полосы двойного кванта QWIP-модулятора, полученные путем их размещения в соседних квантовых колодцах (точках); б — схемное решение устройства, реализованное за счет создания смещений Уа на п-колодцах и Ут на ^-колодцах; сплошными линиями обозначены уровни энергии Еп0, Е„0, точками — место их совмещения.
ИК- и ТГц-излучение
Рис. 1. Принцип формирования мультиспектральных приемников на основе структур с квантовыми ямами
Одно из первых технических решений по созданию двуспектральных QWIP-матриц иллюстрируется рис. 2 (по данным работы [3]).
9 10 11 12
Рис. 2. График фоточувствительности элементов при негативном (-13 В) и позитивном (14 В) смещении На рисунке приняты следующие обозначения: D — уровень модуляции, F — „фотоответ" датчика, X — длина волны, Хотн — волновое число. Структура полосы соответствующего модулятора показана сплошными кривыми, пунктирные линии обозначают уровни Ферми.
Возможность управления смещением в квантовых ямах реализуется путем применения изложенных в работе [10] принципов, согласно которым каждый вольтово-чувствительный фотодатчик объединяется в матрице из квантовых колодцев с гетероструктурным биполярным фототранзистором, формируя, таким образом, пиксел в 2Б фокальной приемной матрице.
Последовательное достижение расширения областей чувствительности двухдиапазон-ных QWIP-матриц прослеживается по патентам [8, 9, 11] соответственно следующим образом: АХ1 = 4...8 (5...12) мкм, ДХ2 = 6...14 (7...20) мкм; ДХ1 = 26...35 мкм, ДХ2 = 36...60 мкм; ДХ1 составляет единицы микрометров, ДХ2 — сотни.
Недостатком приемников на основе квантово-размерных структур (КРС) является необходимость соблюдения условий ввода излучения (поляризованного вдоль слоев с расположенными в них квантовыми ямами) в чувствительный элемент, иными словами, такие приемники не могут работать с падающим по нормали излучением. Однако этот недостаток преодолевается с помощью применения двухмерной дифракционной решетки с соответствующим периодом, благодаря чему обеспечивается достаточно эффективный ввод поляризованного излучения в поглощающий слой [5].
Технология создания гетероструктур фоточувствительных элементов с КРЭ в настоящее время реализована на ПП-материалах соединений А3В5. Методом МЛЭ, самым низкотемпературным из существующих методов эпитаксии, на основе гетеропары ОаЛБ—Л1Лб удается получить резкие границы гетеропереходов, обеспечить локализацию легирующей примеси в заданных активных слоях, почти идеальное согласование параметров решеток и, как следствие, относительно высокое структурное совершенство эпитаксиальных слоев КРС (см. рис. 3).
Фотопоток
Рис. 3. Схема построения (а) и считывания (б) двухдиапазонной QWIP-матрицы
(по патенту [12])
В работе [15] предлагаются решения по реализации аппаратурного построения ком-плексированной системы, объединяющей ИК- и терагерцовый каналы. В разработанном авторами проекте сочетаются преимущества методик, предложенных в работах [16, 17], и возможности восстановления (электронного масштабирования) изображения, формируемого на полноформатной QWIP-матрице. Функциональная схема построения комплексированной системы на QWIP-матрице, в которой реализуется алгоритм сверхразрешения по методике [15], приведена на рис. 4.
По этой методике в ИК-изображения (поля зрения 4*5°, 8*10° и 16x20°), формируемые германиевым панкратическим объективом на QWIP-матрице, с помощью блока обработки изображений, с полукадровой сменой, в центральную часть экрана встраивается изображение, формируемое в ТГц-диапазоне на той же QWIP-матрице внешним зеркальным объективом с полем зрения 1,5*1,9°.
Память
ИЧ
Блок масштабитования и формирования совмещенных изображений
Дисплей
Блок формирования изображения
Микродисплей
Рис. 4. Функциональная схема построения комплексированной системы ( ГХН — газовая холодильная машина)
При этом обеспечение безпараллаксного режима работы канала распознавания (терагер-цового диапазона) и канала наблюдения (ИК-диапазона) осуществляется путем попеременного поступления на одну матрицу потоков излучения от панкратического ИК-объектива и зеркального узкопольного объектива ТГц-диапазона. Режим перестройки обеспечивается последовательным вводом диафрагм кругового или кольцевого типа (см. рис. 5), при этом оба съюстированных объектива формируют изображения на одной приемной QWIP-матрице.
Предлагаемое решение заключается в том, что изображение в одном из каналов комплексированной системы формируется узкопольным двухзеркальным объективом высокого разрешения с относительным отверстием 1:0,8, во втором канале используется панкратический объектив или объектив с переменным фокусным расстоянием, который размещается внутри зеркального объектива без виньетирования его лучей.
Отличительной особенностью предлагаемого решения является возможность одновременного формирования изображений в ИК- и в терагерцовой областях спектра на одной матрице чувствительных элементов — QWIP-матрице.
Главным недостатком систем радиовидения является ухудшенный дифракционный предел, характеризуемый выражением
1,2197А, _
Рис. 5. Схема блока диафрагм кругового или кольцевого типа: 1, 2 — диафрагмы, обеспечивающие работу каналов распознавания и наблюдения соответственно, 3 — ось вращения блока диафрагм
г =-
D /1
где г — угловой радиус кружка Эри, D — диаметр входного зрачка, f — фокусное расстояние оптической системы.
Для его устранения предложена схема получения изображения в ТГц-области спектра со сверхразрешением, которая реализуется следующим образом [18—20]. Разделение длинноволновой и коротковолновой областей чувствительности матрицы в целях коррекции аберрационного пятна рассеяния в дальней зоне осуществляется введением полукадровой коммутации соответствующих потоков. Принцип коммутации показан на рис. 5.
Изображение в области ТГц-диапазона формируется зеркальным сегментом, для чего защитное окно имеет сферическую форму и состоит из кольцевой зоны для двухзеркального объектива с областью прозрачности ТГц-диапазона. Центральная круговая зона предназначена для панкратического объектива (ДХ = 7,5.. 14 мкм) с тремя полями зрения 4*5°, 8*10°, 16^20°, согласованными со стандартом матрицы (640*512 эл.). В этом случае изображение в ТГц-диапазоне с полукадровой сменой (более 50 Гц) формируется „опрашиваемой" QWIP-матрицей в последовательно-параллельном режиме в постоянном поле наблюдения 1,5*1,9° зеркального объектива при селекции потока излучения на кольцевой зоне защитного окна. В качестве фильтра в ТГц-диапазоне могут быть применены кольцевые мениски из фторопласта или плавленого кварцевого стекла с добавками.
Изображение в ИК-области спектра (в другом полукадре) формируется QWIP-матрицей также в последовательно-параллельном режиме считывания, принцип организации которого иллюстрируется рис. 6 (затемненные и „оконтуренные" области на рисунке соответствуют формированию ТГц-области чувствительности).
Рис. 6. Принцип организации параллельно-последовательного считывания объединяемых пикселов изображения полноформатной QWIP-матрицы (со сменными весовыми коэффициентами для каждого элемента)
Процессорный блок обработки изображений формирует его основную площадь в соответствующих полях зрения панкратического объектива. Изображение, формируемое при параллельном считывании (опросе) в ТГц-диапазоне, встраивается в центральную область общего изображения в поле зрения 1,5*1,9° с попиксельной коррекцией изображения, фиксацией
центральных максимумов в исходном изображении и обнулениями соседних пикселов в формируемом масштабируемом изображении.
При каждом опросе и в ИК-, и в ТГц-диапазоне матрицей формируется один и тот же стандарт разложения (в используемой матрице — 64Q*512 эл.), что обеспечивает возможность объединения элементов: 7*7 эл. (при поле зрения 4*5°); 13*13 эл. (при поле зрения 8*1Q°) и 25*25 эл. (при поле зрения 16*2Q°).
Таким образом, в поле зрения 16*2Q° центральная совмещенная зона изображения при масштабировании с весовыми коэффициентами обеспечивает режим сверхразрешения в тера-герцовом диапазоне по сравнению с областью изображения в ИК-диапазоне. В поле зрения 8*1Q° зоны изображений в ИК- и ТГц-диапазонах имеют равные аберрационные характеристики элементов, и лишь при поле зрения 4*5° аберрационные характеристики терагерцовой зоны в 1,2—1,4 раза превышают значения аберраций кружка рассеяния (в сравнении с зоной формирования ИК-изображения).
Итак, предложенная функциональная схема и алгоритм совмещения изображений, формируемых в ИК- и терагерцовом диапазонах, обеспечивают возможность дополнения базовой информации ИК-канала наблюдения информацией, получаемой от ТГц-канала распознавания, с реализацией режима сверхразрешения в длинноволновом канале.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Князев Б. А., Черкасский В. С. Терагерцовое излучение: публикации последнего десятилетия. Новосибирск: Ин-т ядерной физики им. Г. И. Будкера. 2QQ2.
2. Покровский Я. Е. Физика конденсированных сред // Вестн. РФФИ. 1999. № 4.
3. Almogy G., Yuanjian Xu, Tong A. et al. Monolithic integration of quantum well infrared photodetector and modulator / Amer. Institute of Physics. 199б. SQQQ3-6951~96!QQ415-5.
4. Литвиненко К. Л., Хвам Й. М., Лысенко В. Г. Влияние свободных электрон-дырочных пар на насыщение экситонного поглощения в GaAs/AlGaAs-квантовых ямах // Физика твердого тела. 1998. Т. 4Q, № б.
5. Дмитриев Е. Фотоприемники для работы в мультиспектральных оптоэлектронных системах. Проблемы создания // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2QQ5. № 8.
6. Hameau S., Guldner Y., Verzelen O., Ferreira R. Nano-Optoelectronics. Concepts, Physics and Devices / Ed. by M. Grundmann. Berlin: Springer, 2QQ2.
7. Pat. JP2QQ232Q148, 2QQ2-1Q-31. Photodetector / Nishino Hiroshi. (Priority number: JP2QQ1Q126282 2QQ1Q424).
8. USP 2QQ2QQ74542. Multi-quantum-well detector for low-background applications / Gunapala, Sarath D. Choi. et al. 2QQ2.
9. USP 2QQ5Q258415. Heterojunction far infrared photodetector / Perera, A. G. Unil et al. 2QQ5. 1Q. USP 2QQ7QQ63219. Voltage tunable integrated infrared imager / Sa'ar Amir, J. Shappir. 2QQ7.
11. USP 2QQ7Q21586Q. Infrared photodetector / Komiyama, Susumu et al. 2QQ7.
12. USP б,9б7,345. Dual band QWIP focal plane array / Gunapala, Sarath D. Choi, Kwong Kit Bandara, V. Sumith. 2QQ5.
13. Акиншина Г. В. Расчет интервала технологического допуска для гетероструктур ИК-фотоприемников // Материалы I Междунар. науч.-техн. конф. „Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании". Ставрополь: Ставропольский гос. ун-т, 2QQ5.
14. Волков В. Г. Многоканальные приборы ночного видения наземного применения // Спец. техника. 2QQ1. № 2.
15. Оптико-электронная комплексированная система наблюдения и распознавания, работающая в ИК- и терагерцовой областях спектра / Г. С. Мельников, Н. А. Клишо, В. М. Самков и др. Заявка на патент РФ. БОИП ИТМО, 2QQ7.
16. Пат. 2273036 РФ. Способ создания семейства комплексированных систем наблюдения, распознавания и прицеливания на основе семейства универсальных объективов и комплексированная система для его реализации / Г. С. Мельников, Г. А. Донцов и др. ОАО „ТКС—Оптика". 2003.
17. Пат. 2305393 РФ. Оптико-электронная комплексированная система наблюдения и распознавания, работающая в УФ, видимой и ИК-областях спектра / Г. С. Мельников, Г. А. Донцов и др. ОАО „ТКС— Оптика". 2005.
18. Пирогов Ю. А., Гладун В. В., Иванов В. С. и др. Многолучевые системы пассивного радиовидения миллиметрового диапазона. М.: Изд-во МГУ, 1999.
19. Pirogov Yu. A., Gladun V. V., Shlemin I. V. et al. Super-resolution and coherent phenomena in multi-sensor systems of millimeter-wave radio imaging // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5077. P. 110—120.
20. Тимановский А. Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения: Автореф. дис. ... канд. физ-мат. наук. М., 2007.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
УДК 621.383
Р. М. Алеев, Д. Р. Алеев
Научно-производственная фирма „ ОПТООЙЛ" Казань
ОТКРЫТАЯ И ВЗАИМОЗАВИСИМАЯ АРХИТЕКТУРА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ
На основе синергетического подхода, когда целое (тепловизионный прибор) обладает свойствами, отсутствующими у его частей (модулей), сформулированы принципы разработки тепловизионных приборов с открытой модульной архитектурой, обладающей максимальным модернизационным потенциалом.
Ключевые слова: Синергетический эффект, открытая архитектура, взаимозависимая (закрытая) архитектура, принципы создания тепловизионных приборов с открытой архитектурой, пространство (плоскость) объектов и их изображений, базовые присоединительные поверхности, воздушное и наземное базирование.
В современных экономических условиях при производстве оптических и оптико-электронных приборов в целях поддержания необходимого уровня его прибыльности определяющую роль играют такие конкурентные показатели, как скорость выхода новой разработки в серийное производство, уровень ее „интеллектуальности", гибкость производственно-технологических линий, снижение накладных расходов.
Широкий выбор взаимозаменяемых оптических, оптико-электронных и, в частности, тепловизионных приборов (ТВП) обусловливает для производителей ТВП необходимость ориентироваться на узкие сегменты рынка: например, установку приборов на платформы воздушного, наземного или морского базирования в составе поисковых, обзорных, обзорно-прицельных и других систем.
Современные технологии и степень технического совершенства такого сложного продукта, как ТВП приводят к тому, что при достижении требуемого уровня его функциональной надежности качество прибора перестает быть заметным конкурентным преимуществом.
