Фотоприемники на основе халькогенидов свинца для применения в тепловидении

Разработками фотоприемников (ФП) и фотоприемных устройств (ФПУ) на основе халькогенидов свинца (PbS и PbSe) в настоящее время в мире занимаются 65 фирм, в том числе 39 фирм — в США. При этом, многоэлементными ФП и ФПУ занимаются 17 компаний, в том числе в США — 12. Исследования в области халькогенидов свинца имеют длительную историю своего развития. В России значительные успехи в создании данных ФП и ФПУ были достигнуты в ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион» [1], [2]. Исследования физических процессов в халькогенидах свинца в 50-х годах прошлого века и разработка соответствующей технологии позволили создать одноэлементные, а впоследствии и многоэлементные ФП и ФПУ, работающие в области спектра 0,5…5 мкм как при неглубоком (195 К), так и при азотном (77 К) охлаждении.
Наибольший интерес для создания малогабаритных тепловизоров представляют ФП и ФПУ, работающие при температуре 195 К и использующие термоэлектрическое охлаждение (ТЭО). При этом обеспечивается достаточно высокая удельная обнаружительная способность и отношение сигнал/шум. Достоинствами ТЭО являются сравнительная простота исполнения, низкое энергопотребление, малые масса и габариты. При рабочей температуре 195 К для фоторезисторов и фотодиодов на основе PbS длина волны максимума спектральной чувствительности составляет 2,3…3 мкм, темновое сопротивление 0,1…10 МОм, постоянная времени 10³…10⁴ мкс, частота модуляции 400 Гц, а на основе PbSe — соответственно, 4…4,6 мкм, 1…10 МОм, 25…50 мкс, 1200 Гц [2]. Удельная обнаружительная способность этих фотоприемников D* = 10¹⁰ Вт^-1∙см∙Гц ^0,5 [2].
Для применения в тепловизорах 2-го поколения в России были разработаны линейки ФП и ФПУ на 48, 64, 96, 128, 256 элементов, хотя теоретически число элементов в линейке может достигать нескольких тысяч [2]. Компания Optoelectronics Textron (Великобритания) разработала линейки ФП с числом элементов 32 и 64 на основе PbS и PbSe с КМОП-мультиплексорами и предусилителями при мощности рассеяния не более 1 мВт. Диапазон рабочих температур этих приборов составляет –80…65°С. Линейки ФП и термистор смонтированы в корпусе с окном из кремния с антиотражающим покрытием. Вес корпуса 42 г. Для ФП в виде линейки из 64-х элементов используется ТЭО с потребляемой мощностью 3,6 Вт при рабочей температуре –54°С и мощности рассеяния не более 2 мВт. Линейка ФП выполнена в виде кристалла площадью 2,3 × 6,6 мм² при размере фоточувствительного элемента 57 × 57 мкм² [3].
Характеристики спектральной чувствительности ФПУ на основе фоторезисторов PbS и PbSe при различных рабочих температурах представлены на рисунке 1 [4]. Из рисунка 1 следует, что с точки зрения достижения максимальной обнаружительной способности использование ФП и ФПУ на данном уровне развития техники целесообразно при рабочей температуре 195 К. Это же подтверждается и данными работы [6]. Основные характеристики линеек ФПУ на основе PbS и PbSe даны в таблице 1 [4], [5]. На рисунке 2 представлен внешний вид типичных ФПУ [4], [5]. Все эти ФПУ созданы для применения в сканирующих тепловизорах 1-го и 2-го поколений.

Рис. 1. Спектральные характеристики ФПУ на базе линеек фоторезисторов PbS и PbSe [4]: кривая 1 — PbS, Т = 195 К, кривая 2 — PbS, Т = 295 К, кривая 3 — PbSe, Т = 195 К, кривая 4 — PbSе, Т = 295 К; D* — удельная обнаружительная способность, λ — длина волны

а)	б)	В)
г)	д)

Примечания. 1. Δλ — рабочая область спектра, Δλ_m — максимум относительной спектральной чувствительности, ФЧЭ — фоточувствительный элемент, Т — рабочая температура, D* — удельная обнаружительная способность, S_V — вольтовая чувствительность, U_ФЧП — напряжение питания фоточувствительной площадки, U_ТЭО — максимальное напряжение питания ТЭО, Рэ — потребляемая мощность ТЭО;
2. * — ФПУ ФУР129Л включает в себя 64-канальное малошумящее устройство предварительного усиления, ** — ФПУ ФУР138Л и ФУР139Л включают два встроенных 128-канальных мультиплексора; количество выводов — 2;
3. Диапазон рабочих температур окружающей среды для ФПУ АП-РЛ-407, АП-РЛ-413, АП-РЛ-417 составляет –60 ±3…50 ±2ºС.

Характерная для них рабочая область спектра 3…5 мкм имеет определенные преимущества при работе по воздушным, а также надводным объектам. С точки зрения работы в этой области спектра более предпочтительны ФПУ на базе InSb благодаря более высокой чувствительности и лучшим частотным характеристикам по сравнению с PbS и PbSe [4], [5]. Однако достоинство последних состоит в отсутствии криогенного охлаждения (соответственно меньшей массе, габаритах и энергопотреблении) и меньшей стоимости. Это создает благоприятные условия для создания портативных недорогих тепловизоров. Кроме того, на такой базе могут быть созданы и теплообнаружители — тепловизоры с меньшим числом фоточувствительных элементов в линейке и соответственно с меньшей разрешающей способностью. В частности, ФПУ ФУР142 (см. таблицу 1) с относительно небольшим числом фоточувствительных элементов в линейке ФПУ может быть использовано для построения теплообнаружителя. Он может быть применен для обнаружения лесных пожаров, при проведении поисковых и спасательных работ, для диагностики в медицине, мониторинге в ИК-диапазоне, в системах охраны, поиска и слежения.
На основе применения БИС, ПЗС- и КМОП-технологий, а также цифро-аналоговой обработки сигналов, считываемых с матриц, возможно создание фокально-плоскостных матриц на базе PbS для тепловизоров 3-го поколения с числом пикселей 256 × 256 и 512 × 512. Такие матрицы могут быть изготовлены в виде планарных структур или на основе применения Z-технологии [2].
Компания New England Photocon­duc­tor (США) разработала фокально-плоскост­ную матрицу с мультиплексированием на основе PbSe с числом пикселей 128 × 128 для области спектра 3…5 мкм. Выходной сигнал может быть представлен в аналоговой и цифровой форме. При температуре Т < 253 К (ТЭО) достигнута D* > 3∙10¹⁰ Вт^-1 ∙см∙Гц ^0,5 [7].
Компания Sense Array BAE Systems (США) на основе КПОМ-ROIC технологии создала фокально-плоскостную матрицу с мультиплексированием на основе PbSe с числом пикселей 160 × 160.
При Т < 273…295 К (ТЭО) достигнута D*  = (1 – 2)∙10¹⁰ Вт^-1∙см∙Гц^0,5. Граничная длина волны составляет 4,4 мкм, постоянная времени колеблется от 160 до 20 мкс [7].
Разработка кремниевых микросхем считывания на основе КМОП-технологии для ФПУ на базе PbS и PbSe позволили создать в ГНЦ РФ ФГУП «НПО «Орион» 128-канальный КМОП-мультиплексор для каждой из 2-х 128-элементных линеек PbS или PbSe с входными устройствами, содержащими трансимпедансные усилители и цифро-аналоговые фильтры верхних частот на переключаемых конденсаторах для компенсации темновых токов [8]. В таком же направлении ведутся работы и в ФГУП «Альфа». По мнению авторов работы [8], для аппаратуры с использованием ФПУ на основе халькогенидов свинца параметрический ряд модулей таких ФПУ должен содержать форматы 2 × 128, 320 × 240, 640 × 480 элементов.
Однако, для применения в тепловизорах наибольшее распространение в настоящее время как в России, так и за рубежом получили ФПУ на основе халькогенидов свинца с числом элементов в линейке 48 и 64. В таблице 2 представлены основные параметры тепловизоров такого типа [5], [9], [10]. Их внешний вид дан на рисунках 3…7.

а)	б)	В)
Рис.3. Тепловизоры малогабаритные: а) «Альфа-КТ-3» [5], б) МТ [9], в) ТПО [9]

а)	б)
Рис. 4. Тепловизионные бинокли: а) «Альфа-БТ» [5], б) «Альфа-ТБМ-1» [5]

Рис. 5. Тепловизионный прицел «Альфа-ПТ» [5]

Рис. 6. Тепловизионно-телевизионный комплекс «Альфа-ТТК» [5]

а)	б)
в)	г)

Малогабаритные тепловизоры (см. рис. 3) предназначены для поиска и обнаружения человека и других объектов (например, теплокровных животных) по их собственному ИК излучению при проведении аварийно-спасательных работ, в том числе в условиях задымленности и полной темноты. Кроме того, эти приборы могут быть использованы для оценки состояния теплотрасс, высоковольтных линий электропередач и другого промышленного оборудования, для обнаружения мест утечки тепла из здания, скрытной охраны объектов без применения демаскирующего излучения подсвета.
Температурная чувствительность и пространственное разрешение приборов сохраняется и при панорамировании с высокими угловыми скоростями. Это обеспечивает обнаружение и распознавание объектов наблюдения в режиме кругового обзора за кратчайшее время. Приборы МТ и ТПО имеют геометрическую разрешающую способность 2,3» и 1,2», соответственно. Тепловизоры содержат электронную схему обработки сигнала для получения повышенного отношения сигнал/шум. Это позволило, в частности, достичь в приборе «Альфа-КТ-3» реальных значений чувствительности к обнаружению разности температур на уровне менее 0,08°С. Приборы используют 48-элементные ФПУ на основе PbSe с 4-х каскадным ТЭО. Бесшумность работы приборов достигается благодаря использованию специально разработанной для тепловизоров подобного типа электродинамической системы развертки изображения, не создающей акустических шумов. Приборы имеют автономное питание от встроенной герметичной аккумуляторной батареи или от внешнего источника питания, например, от бортовой сети автомобиля. Наблюдение осуществляется через окуляр, при необходимости может быть использован и жидкокристаллический индикатор. Тепловизионные бинокли (см. рис. 4) обладают теми же возможностями, что и рассмотренные выше приборы, но обеспечивают наблюдение изображения двумя глазами через псевдобинокулярный микроскоп.
Тепловизионный прицел «Альфа-ПТ» (см. рис. 5) для легкого стрелкового оружия обеспечивает наблюдение и прицеливание в любое время суток, в том числе в условиях полной темноты, тумана и плотной задымленности, а также через мелкий кустарник. Прицел может быть установлен на любом индивидуальном оружии с помощью необходимых (в соответствии с требованиями заказчика) стандартных узлов крепления, для установки которых на приборе предусмотрены соответствующие посадочные места.
Тепловизионный прицел AN/PAS-18 фирмы Raytheon (США) для наведения ЗУР Stinger выполнен на базе ФПУ в виде 64-линейки PbSe [10]. Прицел может работать круглосуточно. Питание прицела осуществляется от встроенной литиевой или никель-кадмиевой батареи. В приборе предусмотрена программируемая электронная прицельная шкала. Изображение может быть введено в телевизионный канал в формате RS-170. Это необходимо для видеозаписи изображения и для тренировки операторов. Прицел состоит на вооружении корпуса морской пехоты США, а также армии Германии, Дании и Нидерландов.
Тепловизионно-телевизионный комплекс «Альфа-ТТК» (см. рис. 6) имеет те же возможности и назначение, что и указанные выше тепловизионные приборы наблюдения. Его отличительная особенность — вывод изображения на экран ТВ-монитора любого формата.
Особого внимания заслуживают многоканальные тепловизоры (см. рис. 7). Приборы «Альфа-МТК» и ТК-2 содержат тепловизионный канал, а также ночной канал на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП) поколения 2+ или 3. В приборе «Альфа-МТК» оператор по желанию может использовать каждый канал попеременно, либо включить одновременно оба канала. В последнем случае наблюдается изображение н агретых объектов (например, фигур людей) красного цвета (в соответствии с цветом многоэлементного светодиодного индикатора тепловизионного канала) на фоне окружающей местности желто-зеленого цвета (в соответствии с цветом свечения экрана ЭОП ночного канала) (см. рис. 7б). Это увеличивает четкость обнаружения объектов наблюдения на окружающем фоне за счет цветового контраста объекта и фона. Наличие двух каналов позволяет расширить возможности прибора при его работе в широком диапазоне изменения внешних условий и улучшить ориентацию на местности благодаря отчетливому отображению линии горизонта в ночное время, а также более детальному отображению фона. Прибор ТК-2 обеспечивает видеозапись изображения в формате VHS с помощью регистрирующего устройства Panasonic RX-30. Наблюдение осуществляется со встроенного ЖК монитора. Разрешающая способность ночного канала составляет 0,4», тепловизионного — 3». Еще большими возможностями обладает трехканальный прибор наблюдения ТК-3, содержащий дневной, ночной на базе ЭОП и тепловизионный каналы. Наблюдение изображения осуществляется через окуляр. Разрешающая способность дневного, ночного на базе ЭОП и тепловизионного каналов составляет соответственно 0,1», 0,26», 0,6». Наличие дополнительных каналов (кроме тепловизионного) позволяет обеспечить не только круглосуточную работу в широком диапазоне внешних условий, но и достичь более высокого качества изображения.
Спектральная характеристика ФПУ на основе халькогенидов свинца допускает восприятие излучения современных безопасных для зрения лазерных дальномеров с длиной волны 1,54 и 1,7 мкм. При этом возникает проблема инерционности ФПУ. Однако в работе [11] показано, что за счет оптимального схемного включения можно регистрировать световые импульсы с длительностью до 10 нс.
Таким образом, существуют разносторонние возможности применения ФПУ на базе PbS и PbSe для создания малогабаритных тепловизоров.