Научный архив: статьи

Развитие оптико-электронных систем для мониторинга земной поверхности в ИК-диапазоне потребовало применения новых способов построения фотоприемных устройств: внедрение больших интегральных схем (БИС) обработки и считывания фотосигналов; изготовление фоточувствительных структур на основе материала КРТ, имеющих высокую обнаружительную способность (10111012 Вт·см·Гц1/2) в спектральном диапазоне 2—12 мкм и работающих при температурах от 60 до 170 К; снижение шага следования каналов и увеличение формата ФПУ; применение режима временной задержки и накопления (ВЗН) непосредственно на кристалле БИС считывания. В данной работе представлены два типа фотоприемных модуля: многоспектральный (3—12 мкм) на шесть поддиапазонов формата 576×4; односпектральный (2—3 мкм) формата 1024×10.

Анализируются варианты построения БИС считывания для сканирующих ИК ФПУ с цифровым режимом ВЗН. Накопление и обработка фотосигнала в цифровом виде позволяют существенно повысить количество каскадов ВЗН и, соответственно, улучшить отношение сигнал-шум на выходе БИС считывания. Рассмотрены две основные архитектуры БИС считывания с цифровым режимом ВЗН: шинно-адресная и конвейерная. Приведены варианты построения однобитных АЦП: преобразователь «фототокчастота», преобразователь «фототок-временной интервал». Отмечены преимущества конвейерной архитектуры: меньшая занимаемая площадь в сочетании с пониженной потребляемой мощностью.

Обосновывается необходимость применения новых способов расширения динамического диапазона МФПУ коротковолнового ИК-диапазона. Традиционно применяемые способы обладают низкой эффективностью, особенно для мегапиксельных форматов и с шагом ячеек не более 15 мкм. Наибольшей эффективностью расширения динамического диапазона (более 100 дБ) обладают адаптивные ячейки с индивидуальной подстройкой времени накопления и линейно-логарифмической передаточной характеристикой.

В работе представлены результаты разработки фотоприемного модуля формата 5766 с ВЗН-режимом. Проведен сравнительный анализ различных вариантов реализации ВЗНрежима в БИС считывания. Обосновывается целесообразность модернизации существующих сканирующих ФПУ формата 2884 на основе разработанного фотомодуля 5766. Результатом такой модернизации станет упрощение оптико-механического узла сканирования и улучшение качества тепловизионного изображения.

Обосновывается необходимость расширения динамического диапазона в МФПУ коротковолнового ИК-спектра. Традиционно применяемые способы обладают низкой эффективностью, в особенности, в крупноформатных матрицах с шагом не более 15 мкм. Наибольшей эффективностью расширения динамического диапазона (до 100 дБ) обладают накопительные ячейки с индивидуально изменяемой передаточной характеристикой в зависимости от яркости фрагментов наблюдаемой сцены. В данной работе предлагается простой в топологической реализации и эффективный способ расширения динамического диапазона, основанный на автоподстройке времени накопления индивидуально в каждой ячейке интегральной схемы считывания. При этом сохраняется высокая крутизна и линейность преобразования в накопительных ячейках с умеренной освещенностью (до 50–70 % от максимального сигнала), но снижается чувствительность в ячейках, близких к насыщению. В результате формируется линейно-логарифмическая передаточная характеристика, обеспечивающая расширенный динамический диапазон. В работе приводятся примеры полученных изображений с расширенным динамическим диапазоном в коротковолновом ИК-спектре.

Обосновывается необходимость расширения динамического диапазона в МФПУ коротковолнового ИК-спектра (SWIR). Традиционно применяемые способы обладают низкой эффективностью, в особенности, в крупноформатных матрицах с шагом не более 15 мкм. Наибольшей эффективностью расширения динамического диапазона (до 100 дБ) обладают накопительные ячейки с индивидуально изменяемой передаточной характеристикой в зависимости от яркости фрагментов наблюдаемой сцены. В работе предлагается простой в топологической реализации и эффективный способ расширения динамического диапазона, основанный на автоподстройке времени накопления индивидуально в каждой ячейке интегральной схемы считывания. При этом сохраняется высокая крутизна и линейность преобразования в накопительных ячейках с умеренной освещенностью (до 50–70 % от максимального сигнала), но снижается чувствительность в ячейках, близких к насыщению. В результате, формируется линейно-логарифмическая передаточная характеристика, обеспечивающая расширенный динамический диапазон. В работе приводятся примеры изображений с расширенным динамическим диапазоном, полученные с помощью первой отечественной SWIR-камеры формата 640×512 элементов.