Журнал ТЗ № 5 2018 |
  бюро находок  
  Где искать        
наши издания
наши анонсы






2018
№ 5
статьи



Журнал ТЗ № 5 2018



Раздел: Стоп-кадр
Тема: IP камеры видеонаблюдения
Автор:

Современные фотоприемные устройства инфракрасного спектра и тенденции развития

Одним из важнейших направлений реализации «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденной Указом президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 года № 642, являются технологии оптоэлектроники и фотоники. Они включают в себя фотоэлектронику как одну из основных частей технологии, определяющую уровень технологического развития государства и, в первую очередь, его обороноспособности. Уровень современной фотоэлектроники определяется развитием технологий матричных фотоприемных устройств (ФПУ) новых поколений на все спектральные диапазоны оптического излучения, в первую очередь инфракрасного.

Устройства с использованием ФПУ в составе тепловизоров позволяют вести боевые действия в условиях плохой видимости, обнаруживать скрытые объекты, давать целеуказания. ФПУ находят применение в составе тепловизоров для армии и флота в виде биноклей, прицелов, систем наведения и самонаведения, используются в беспилотных самолетах, системах технического зрения наземных боевых роботов и системах охраны периметров, а также для обеспечения безопасности судовождения, контроля и охраны водных и прибрежных объектов. МЧС использует такие устройства для спасательных работ во время ликвидации пожаров, спасения людей в условиях задымления, определения наиболее опасных участков с высокой температурой.

Третье поколение фотоприемных устройств – матричные ФПУ (МФПУ) форматом более одного мегапикселя и обладающие расширенными функциональными возможностями (двух- и многоспектральные с повышенной температурой охлаждения, сверхмалым размером пикселя, лавинным усилением и т.п.). Последнее поколение тепловизионной аппаратуры основано на применении фокально-плоскостных, дву мерных твердотельных многоэлементных приемников излучения, которые работают без использования оптико-механических систем развертки.


Рис. 1 Принцип работы матричного фотоприемного устройства

Основные тенденции развития МФПУ в мире

Появившиеся в последнее время публикации свидетельствуют о развитии высоких технологий создания сложных оптических систем, способных работать в многоспектральных (двух и более) поддиапзонах в сочетании с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ). Основные тенденции развития можно сформулировать следующим образом:
- переход на полный формат (1024x1280) и сверхкрупноформатные матрицы (до 4k x 4k) и сверхдлинные «линейки» для специальных применений;
- применение «высокотемпературных» МФПУ для минимизации габаритов, веса и потребляемой мощности;
- повышение функциональных возможностей (3D и т.д.) двух- и многоспектральных МФПУ;
- расширение области применения МФПУ коротковолнового ИК-диапазона (SWIR); a повышение уровня технологий неохлаждаемых микроболометрических матриц (корпусирование на кристалле и т.д.);
- развитие МФПУ на квантоворазмерных структурах, главным образом, сверхрешетках 2-го типа (T2SL);
- поиск новых принципов детектирования ИК-излучения и новых фоточувствительных материалов (графен, другие 2D структуры и т.п.) создание сверхдлинноволновых МФПУ (на диапазон длин волн более 14 мкм).


Рис. 2 Динамика снижения размера пикселя для неохлаждаемых МФПУ и прогноз

Основные материалы, используемые для создания ИК МФПУ

• тройное полупроводниковое соединение кадмий- ртуть-теллур (HgCdTe) для спектральных диапазонов 1-2,5 мкм; 3-5 мкм; 8-14 мкм;
• двойное полупроводниковое соединение антимонид индия (InSb) для спектрального диапазона 3-5 мкм;
• тройное полупроводниковое соединение индий-галлий-арсенид (InGaAs) для спектрального диапазона 0,4-2,3 мкм;
• сверхрешетки 2-го типа T2SL;
• оксид ванадия (VOx), аморфный кремний (α-Si) для диапазона 7-14 мкм.

Охлаждаемые ФПУ для спектрального диапазона 3-5 мкм

ФПУ, представленные в сравнительной таблице 1, выпускаются серийно ведущими мировыми производителями и наиболее широко представлены на мировом рынке. Основной формат - 640 x 512, осуществляется переход на 1280 х 1024. Материалы – InSb, КРТ, T2SL, InAsSb.


Охлаждаемые ФПУ для спектрального диапазона 8-12 мкм

ФПУ, представленные в таблице 2, также выпускаются серийно ведущими мировыми производителями и широко представлены на мировом рынке. Основные форматы –320 х 256, 384 х 288 и 640 x 512, разработаны образцы мегапиксельных МФПУ. Материалы – КРТ, QWIP, T2SL.


Неохлаждаемые ФПУ в спектральном диапазоне 7-14 мкм

Основой целого ряда современных систем в спектральном диапазоне 7-14 мкм являются неохлаждаемые МФПУ большого формата, способные воспринимать температурные контрасты до 50 - 100 мК. За последние два десятилетия достигнут значительный прогресс в создании неохлаждаемых тепловых детекторов инфракрасного диапазона, которые приблизились по пороговым характеристикам к фотонным детекторам при значительно меньшей стоимости. Стоимость МФПУ на основе болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb, PtSi, при этом типичные значения NETD для болометрических матриц составляет 50-100 мК (для МФП на основе HgCdTe типичны значения порядка 10 мК). Важнейшим преимуществом болометрических инфракрасных детекторов является возможность работы без охлаждения (при температурах около 300 К), в то время как большинство фотонных детекторов действуют при криогенных температурах (обычно не менее 77 К).


Неохлаждаемые ФПУ, представленные в сравнительной таблице 3 (стр. 70), выпускаются мировыми производителями серийно и широко представлены на мировом рынке. Из технических характеристик, приведенных в таблице 3, видно, что ФПУ имеют примерно равную производительность.

Направления развития мировой и отечественной фотоэлектроники на ближайшую перспективу
• Создание матричных массивов фоточувствительных элементов с уменьшенным (вплоть до 5 мкм) шагом элементов, обеспечивающих формирование одно- и многопиксельных матриц с низкой дефектностью и малой взаимосвязью, а также их гибридизацию с кремниевыми мультиплексорами.
• Разработка и совершенствование исходных полупроводниковых фоточувствительных структур методами гетероэпитаксиальной инженерии для: - устойчивого выпуска МФПУ всех спектральных диапазонов;
- создания двух- и многоспектральных МФПУ, а также МФПУ для гиперспектральных систем;
- создания МФПУ с различными дополнительными функциональными возможностями, в том числе МФПУ с лавинным усилением и МФПУ для сверхдлинноволнового диапазона (>14 мкм), включая квантоворазмерные структуры.
• Создание мультиплексоров с малым шагом входных ячеек, цифровой предобработкой и числом входных ячеек 106-107.
• Разработка типоряда микрокриогенных систем охлаждения, в том числе на промежуточные температуры для «высокотемпературных» МФПУ.
• Развитие новых принципов и материалов для регистрации излучения, включая графен и другие 2D-структуры.

Работа отечественных производителей должна способствовать скорейшему развитию высокотехнологического производства сложных оптических систем инфракрасного диапазона с высокостабильными параметрами, необходимых для создания оптико- электронной аппаратуры, работающей в средневолновом ИК (3...5 мкм) и длинноволновом (8 - 14 мкм) поддиапазонах.

Разрабатываемые оптические системы в сочетании с современными и перспективными фотоприемными устройствами позволят реализовать на стадии промышленного производства тепловизионные приборы 3-го поколения. В них реализуются задачи устранения искажения изображения, снижения стоимости аппаратуры, ее массы, габаритов, энергопотребления, а также повышения надежности, вибро- и удароустойчивости. При этом производители рассчитывают получить чрезвычайно высокую температурную чувствительность, обеспечивающую эффективную работу при обнаружении или распознавании слабоконтрастных или замаскированных объектов.

Все это приблизит тепловизионные изображения по информационной емкости к зрению человека.


Рис. 4 Топология микроболометрических детекторов разных производителей: (а) – BAE на VOx, (b) – Ulis на a-Si, (c) – DRS на VOx, (d) - ОКБ АСТРОН на VOx,

В настоящем обзоре использования материалы XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, НПО Орион) 2018 года.

ФПУ АО «ОКБ «АСТРОН»: от разработки до серийного производства


В 2016 году на предприятии АО «ОКБ «АСТРОН» было освоено производство ФПУ с чувствительностью до 40 мК и началось их серийное производство. С того же года все тепловизионные приборы для систем безопасности изготавливаются в «АСТРОН» на основе микроболометрических детекторов собственного производства АСТРОН-38425-1 и АСТРОН-64025-1 с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм и 17 мкм. ФПУ изготовлено на основе матрицы микроболометров с электронной подсистемой считывания, и упакованное в керамический корпус, обладает высокой чувствительностью, низким энергопотреблением и малым весом. ФПУ имеет массив микроболометров в виде двумерной матрицы элементарных детекторов расположенный в фокальной плоскости, состоящей из 384 x 288 элементов (ФПУ АСТРОН-38417-1), и 640 x 480 (ФПУ ACTPOH-64017-1). Микроболометры выполнены из оксида ванадия по мостиковой схеме. ФПУ выдает необработанное изображение в аналоговом формате со скоростью до 60 кадров в секунду. Управление электронной подсистемы ФПУ производится по последовательной шине данных. Размер элементарного микроболометра (пикселя) составляет 17x17 мкм. ФПУ выполнено в корпусе LCC (Leadless chip Carrier) из вакуум-плотной керамики (рис.1). Пример коммерчески доступного отечественного модуля на основе ФПУ ACTPOH-64017-1 изображен на рис. 2.

Рис. 1 Внешний вид ФПУ АСТРОН-38417-1 и ACTPOH-64017-1

Функциональные особенности микроболометра АСТРОН

• неохлаждаемые микроболометры на основе оксида ванадия (VOx) имеют высокую чувствительность; • вакуумная керамическая упаковка без штенгеля позволяет использо- вать ФПУ в разработках миниатюрных тепловизионных приборов; • питание для аналоговой и цифровой части ФПУ унифицировано до 5 В; • настраиваемое время интеграции; • возможность использования двух термодатчиков (наружного и встроенного); • инвариантность строк и столбцов мультиплексора, возможность получения изображений других форматов; • типичный отклик 10 мВ/К; • амплитуда выходного сигнала от 1 до 5 В Важным преимуществом ФПУ, производимых АО «ОКБ «АСТРОН», следует считать собственное производство с максимальным использо- ванием отечественного оборудования и компонентов. На сегодняшний день это единственное на постсоветском пространстве предприятие, освоившее коммерческий выпуск неохлаждаемых микроболометрических инфракрасных детекторов.

Рис. Внешний вид модуля АСТРОН - 640М17


Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru

Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них.
Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!
Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка:

назад
|

Axis представляет сетевой радар для точного обнаружения вторжений в контролируемых зонах
Компания Axis дополняет свой обширный портфель продукции сетевыми радарами. Радарные датчики вторжения не реагируют на многие распространенные сигналы, которые приводят к ложным срабатываниям, и легко устанавливаются и интегрируются в существующие системы.



Новинка от компании IDIS: 5Мп IP-видеокамера DC-T3533HRX
Тенденции развития индустрии IP-видеонаблюдения демонстрируют погоню производителей за увеличением разрешающей способности видеокамер. При этом часто оказывается так, что озвучиваемые цифры в 4, 9, 12 и даже 20 мегапикселей оказываются несопоставимыми с физическими размерами сенсоров, используемых в этих камерах. Поэтому подобные разрешения реализуются лишь на уровне соответствующих цифр в настройках камеры и не приводят к какому-либо улучшению изображения.



IBM меняет представление о передаче и хранении видео. Впервые на All-over-IP 2017!
Сравните ваш взгляд на интеллектуальное видеонаблюдение с мнением руководителей корпорации IBM на 10-м форуме All-over-IP 2017.



Реклама
Подписка на новости
Имя
E-mail
Анти-спам код
Copyright © 2008 —2017 «Технологии защиты».