Научный архив: статьи

Рассмотрены БИС считывания с двумя типами построения ВЗН‐канала: с n-МОП‐регистром переноса заряда и с ячейками суммирования. Показано, что для качественной реализации ВЗН‐канала первого типа требуется использование специальной технологии, отличной от стандартного МОП‐процесса, который достаточен для изготовления БИС считывания второго типа.

Рассматриваются методы уменьшения шума БИС считывания для ближнего инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) спектральных диапазонов. Приведены схемо-технические способы шумовой коррекции в зависимости от формата фоточувствительных матриц.

Рассматривается схема построения 14-разрядного дельта-сигма аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с конвейерным считыванием. Анализируются основные концепции построения (АЦП) в накопительной ячейке для матричных ФПУ ИК-диапазона. Наличие АЦП в ячейке БИС считывания позволяет в десятки раз увеличить время накопления и, улучшить пороговые характеристики. Предложен способ оптимизации АЦП по площади за счет применения LFSR-счетчика, работающего в двух режимах: формирования цифрового кода и его последовательного считывания.

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.