3. Область применения ПЗС-камер ИК диапазона

ПЗС-камера ИК диапазона может применяется для съёмки объекта в инфракрасном диапазоне(от 730 нм и выше). Как правило, ИК камера служит прибором ночного видения или устройством для определения температурного поля.

В современном мире ИК-камеры получили очень широкое применение. Без них не обходится не одно промышленное предприятие, где нужен контроль за состоянием объектов. В строительстве этот прибор необходим для оценки теплоизоляции. Что касается медицины, то инфракрасная камера применяется в области онкологии, ортопедии, нейрохирургии, травматологии, гастроэнтерологии, эндокринологии, психиатрии, педиатрии.

Нашло устройство своё применение и в военной индустрии. С их помощью координируют боевые действия в тёмное время суток. Энергетика, металлургия, химическая промышленность, машиностроение - всё это области, где активно используется инфракрасная камера. Для восприятия изображений в ИК-области спектра развиваются три направления: легирование кремния примесями (In, Ga, Те и другие) и использование примесного фотоэффекта; разработка ФПЗС на узкозонных полупроводниковых соединениях (например, на In, Sb для диапазона 3-5 мкм); создание гибридных структур, сочетающих фоточувствительную мишень, направленную на кристалле HgCdTe, и кремниевые ПЗС-регистры, обеспечивающие считывание информации, накапливаемой в мишени.

Основное применение ПЗС находят в качестве безвакуумного твердотельного аналога видикона для восприятия и обработки видеоинформации в телевидении, устройствах технического зрения, видеокамерах, электронных фотоаппаратах. Значительно меньше ПЗС используют в цифровой технике в качестве запоминающих устройств, регистров, арифметико-логических устройств и в аналоговой технике в качестве линий задержки, фильтров и тому подобных.

Подробнее остановимся на использовании ПЗС в системах формирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения: уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организация временной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственная регистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, через емкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (Рисунок 1). В каждом ПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжению соответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) на выход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнение информации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников), что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловой нагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехи между каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы, возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.

При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрирования сигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИК изображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростью и каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующего столбца матрицы (Рисунок 2). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементов осуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрирования изображения увеличивается в k раз, где k -- количество элементов в столбце (равное числу строк в матрице ИК приемников).

1 - ИК приемники; 2 - буферные элементы; 3 - ПЗС

Рисунок 1 - Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИК приемников

1 - ИК приемники; 2 - буферные элементы; 3 - ПЗС. Направления, а также скорости перемещения ИК изображения (4) и передачи зарядов вдоль ПЗС (5) совпадают.

Рисунок 2 - Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИК приемников информации

Если матрица содержит r таких столбцов, то общее количество соединений между матрицей приемников и ПЗС составляет kr. Надежное изготовление большого числа внутрисхемных соединений является сложной технологической задачей при создании подобных систем.

В третьем варианте, названном ИК ПЗС, сами ПЗС используются для регистрации и формирования сигналов ИК изображений. В этом случае организация матрицы такая же, как в светочувствительных ПЗС. Основные проблемы ИК ПЗС следующие. Для восприятия ИК излучения необходимы узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны которых (определяющая положение максимума поглощения) соответствует окнам атмосферной прозрачности для ИК излучения: 2--2,5; 3,5--4,2; 8--14 мкм. Подходящие материалы имеются среди бинарных и тройных соединений типа АIIIВV, AIIIBVI, AIVBIV, например InAs, InSb и т.д. Технология изготовления МДП-структур на таких материалах пока недостаточно отработана. Создание ИК ПЗС на несобственном полупроводнике также представляет известные трудности.

Вторая проблема связана с высоким уровнем фонового излучения в ИК области спектра и низкой контрастностью ИК изображений. Это приводит к накоплению в потенциальных ямах ПЗС большого паразитного заряда. Низкая контрастность накладывает жесткие требования на допустимую величину неравномерности фоточувствительности (от элемента к элементу), которая не должна превышать нескольких процентов. Такое ограничение обусловливает жесткие требования к технологии, особенно к фотолитографии.

В последнее время определенные успехи достигнуты в технологии МДП-структур на InSb с пленкой оксинитрида кремния в качестве диэлектрика (полученной с помощью осаждения) и нихромовым затвором. Плотность поверхностных состояний в таких структурам составляет 1012 см-2, а время релаксации МДП-емкости достигает 0,1 с при температуре 77 К.

По конструктивно-технологическим характеристикам формирователи ИК сигналов на ПЗС подразделяются на монолитные и гибридные. Монолитные формирователи включают в себя, прежде всего, ИК ПЗС на узкозонных полупроводниках или легированных широкозонных полупроводниках, чувствительных к ИК излучению, а также приборы, содержащие на одном кристалле чувствительную к ИК излучению матрицу на элементах с барьером Шоттки (с внутренней фотоэмиссией) и считывающую схему на ПЗС.

В противоположность монолитным приборам гибридные приборы являются комбинацией ИК приемников различных типов и кремниевого ПЗС, используемого для сдвига информации на выход, а в общем случае и для ее обработки: усиления, суммирования, вычисления корреляционных функций.

Гибридные формирователи, в свою очередь, можно разделить на приборы с прямой инжекцией, в которых фотогенерируемые в ИК приемнике заряды непосредственно вводятся в ПЗС, и на приборы с непрямой инжекцией, в которых между ИК приемником и ПЗС существуют буферные элементы (МДП-транзисторы или усилительные каскады).

В качестве ИК приемников можно использовать фотовольтаические, фоторезистивные и пироэлектрические приемники

Применение ПЗС-матриц на сегодняшний день нашло широкое применение: цифровые фотокамеры, видеокамеры; ПЗС-матрица как фотокамеры стало возможным встраивать даже в мобильные телефоны.