Электронно-оптические визуализаторы инфракрасных изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, доктор технических наук в форме науч. докл. Шахраманьян, Николай Андраникович

• Шахраманьян, Николай Андраникович
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Шахраманьян, Николай Андраникович

Для выработки критерия качества изображения в общем виде необходимо учитывать совокупность факторов, всегда присутствующих в той или иной степени в процессе воспроизведения изображения оптическими и электронными средствами.

Задача состоит в том, чтобы найти закон потери качества изображения (обусловленной изображающей системой) или, другими словами, найти функциональную зависимость между двумерными распределениями яркостей в плоскости изображения В'(х',у') и в плоскости объекта В(х,у) во всех диапазонах рассматриваемых значений х,у и х',у'.

В допущении, что все компоненты изображающей системы являются линейными в диапазоне рабочих освещенностей ( значит и сама система ) , плоскость объекта стационарна в трехмерном смысле относительно изображающей системы, излучение некогерентно и при исключении краевого эффекта потери качества изображения характеризуются модуляционной передаточной функцией (МПФ).

Однако МПФ не дает информации о пригодности системы для воспроизведения всего массива оптической информации. Для этого еще необходимо знать максимальное число градаций яркости гп передаваемых информационным каналом и число информационных каналов п системы.

Информационная емкость изображающей системы составит Н=п21о£2т =4 ьАо&т [ бит/мм2].

Очевидно, МПФ, отражающая контрастно-пространственно-частотный спектр системы определяет значение ш системы лишь возможностью регистрации разноконтрастных изображений.

Более полной же мерой числа градаций яркости, передаваемых системой одновременно является динамический диапазон О,определяемый при фотометрировании, как как Б = В2 / В1, где В2 и В, максимальный и минимальный уровни входного сигнала, при котором система линейна (диапазон неискаженного воспроизведения ).

Строго говоря, п=2К справедливо также лишь для линейного участка световой характеристики, поскольку при В < В! из-за малости отношения сигнал/шум малоприемлимы рассуждения о достоверности воспроизведения изображения системой вообще и информационным каналом в частности , в области насыщения при В>Вг разрешаемый элемент перестает быть полноценным информационным каналом, т.к утрачивается его реакция на изменения В.

При использовании в качестве визуализирующего элемента фоторегистратора системы катодолюминесцетного экрана выходным сигналом будут являться изменения яркости ДВ люминофора.

Поскольку в большинстве случаев конечным фоторегистратором изображающих систем является глаз человека , целесообразно далее рассмотреть его пороговые характеристики.

Минимальный различимый контраст и предел разрешающей способности глаза зависят от условий наблюдения (яркость объекта, его угловые размеры и т.д). Установлено, что : а) разрешающая способность глаза растет с ростом яркости объекта ; б) разрешающая способность глаза увеличивается с ростом угловых размеров объекта; в)разрешающая способность глаза растет с ростом яркостного контраста Св, определяемого как Св=( Воб-Вф/ Вф) х 100% , где Воб-яркость объекта, Вф-яркость фона

Г V» «!П"1М. ■/•

9 ГОСУДД '

Хотя динамический диапазон воспринимаемых глазбм" яркостей чрезвычайно широк, порядка 101" , существует вполне определенный интервал оптимальной яркости ( 2x10"' . 3,4х 10') кд/м2 , в пределах которого разрешающая способность глаза максимальна и составляет порядка 1.

Экспериментально установлено, что при оптимальной яркости объекта пороговое значение контраста Спор, различаемого глазом через окуляр 10х составляет 2 . 3 % в широком диапазоне пространственных частот ( до 70 мм"1), при яркости объекта 4x10" кд/м2 Спор. составляет уже не менее 10% даже для пространственной частоты 30 мм"1.

В отдельных случаях дополнительную информацию об изображении можно получить при исследований в динамическом режиме , т е при изменении регистрируемого изображения во времени или в пространстве. Известно , что постоянная времени глаза составляет порядка 0,02 . 0,1 с в зависимости от условий наблюдения, т е максимальные свои возможности при наблюдении пороговых изображений глаз может использовать при наблюдении малоподвижных объектов, при частотах мелькания изображения свыше 10 . 50 Гц глаз резко теряет свои пороговые характеристики.

Однако, характер временной зависимости контрастной чувствительности глаза (определяемой как 1/Св) зависит от освещенности сетчатки : при яркости 0,1 кд/м2 она максимальна при частотах, меньших 1 Гц (неподвижное изображение ), при частотах больше 5 Гц контрастная чувствительность падает. При увеличении яркости на четыре порядка характер зависимости иной. Имеется максимум контрастной чувствительности при частоте около 8 Гц. Наличие этого максимума трудно однозначно объяснить. По всей видимости, в ходе эволюции системы «глаз-мозг» человека наиболее важная для выживания информация о слабоконтрастных изображениях поступала в мозг импульсно с частотой в районе 8 Гц ( например, охота на движущихся животных, имеющих окраску под цвет окружающей среды, бегство от них и т.д.)

Однако, реализовать максимум контрастной чувствительности при В= 1000 кд/м2 и = 8 Гц на практике не представляется возможным в силу того , что мелькание изображений не позволяет уверенно анализировать информацию и , кроме того , оно является источником дополнительных шумов изображений.

Таким образом, можно заключить , что при оптимальной яркости экрана зрительная система человека способна на пределе различать тонкие детали изображения с линейным размером 10/(2x70) = 0,071 мм с яркостным контрастом 2 .3 % от смежных деталей.

Учитывая также рост контрастной чувствительности глаза от пространственной частоты, можно сделать вывод, что зрительная система более уверенно будет регистрировать тонкие линии, нежели тонкие детали при одном и том же С» , т с при визуализации глаз автоматически будет стараться оконтуривап, элементы (или группы элементов ) с фиксированными значениями Си к фону ( выявлять границы раздела в изображении ).

Обнаружение слабосветящихся и слабоконграстных изображений возможно при увеличении числа фотонов, попадающих на сетчатку глаза с разрешаемого элемента объекта. С другой стороны, увеличение обнаружителыгой способности самого глаза возможно при расширении спектрального диапазона его чувствительности. Поскольку все это достигается при помощи ЭОП, целесообразно далее провести их рассмотрение.

Глава вторая ЭОП КАК ВИЗУАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ В БЛИЖНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Известно, что система, воспроизводящая оптическое изображение ( изображение является статическим за время, по крайней мере, не менее постоянной времени интегрирования системы ), тем ближе к идеалу, чем: а) большее количество входных фотонов создадут отклики на выходе системы, регистрируемые на уровне ее собственных шумов; б) большим пространственным разрешением и меньшими геометрическими искажениями обладает система при меньшим значении входного контраста.

В [1] рассмотрен принцип действия ЭОП, определены основные его параметры, проведено сравнение характеристик параметров преобразователей различных поколений, проведено сравнение ЭОП с наиболее совершенным твердотельным аналогом—матрицей ПЗС с точки зрения критериев а) и б), на основании чего определено место ЭОП ( и условия ) при визуализации изображений ближнего ИК-диапазона.

Анализ спектральных характеристик квантового выходаУ различных типов фотокатодов и матриц ПЗС с фронтальным и тыловым освещениями свидетельствует: 1) в спектральной области 1,0. 1,3 мкм чувствительностью обладает лишь фотокатод Б - 1;

2) в спектральном диапазоне 0,8.1,0мкм У у ПЗС матриц не менее, чем в три раза превышает У у наиболее чувствительного СаАэ- фотокатода с отрицательным электронным сродством и составляет порядка 0,8; 3) падение У в

ПЗС при фронтальном освещении связано с потерями части фотонов за счет поглощения в металлических электродах, интерференционными эффектами в поверхностных пленках, а также потерями при считывании накопленного заряда.

Показано [1], что понятие квантового выхода для ЭОП и ПЗС не равнозначны. В первом случае фотоэлектрон энергетически выводится в вакуум, во втором - в зону проводимости полупроводника, а вследствие этого условия регистрации единичных фотоэлектронов для ЭОП и ПЗС существенно различны. Так, в ЭОП в условиях высокого и сверхвысокого вакууума вероятность регистрации единичного фотоэлектрона весьма высока и лимитируется практически лишь уровнем собственных шумов преобразователя, который на современном уровне технологии изготовления может быть сведен до теоретического минимума - уровня плотности тока термоэлскгронной эмиссии .11 фотокатода при данной температуре. При Г 300 К .1т у 8-25 фотокатода составляет 10""'А/см2, у 8-1 порядка 10"' А/см2, у ваАх : Сб-О порядка Ю-1' А/см

В работе [2] экспериментально получено для ЭОП с Я-25 фотокатодом при Г=300 К эффективность (вероятность) регистрации единичных фотоэлектронов над уровнем собственных шумов 70% (0,7) при ускоряющем напряжении и=10 кВ, 75% (6,75) при 0=12,5 кВ и 82% ( 0,82 ) при [>15 кВ.

В противоположность этому в полупроводниковом материале ПЗС вероятность регистрации единичных фотоэлектронов существенно ниже, поскольку плотность термоэлектронного тока для составляет величину не менее 10"'" А/см2 при Т=300К.

Кроме того, свой вклад в снижение этой вероятности вносят неэффективность переноса носителей, наличие в кристалле дефектов, ловушек, центров рекомбинации и т. д., что ведет к тому, что вероятность регистрации единичных фотоэлектронов измеренная экспериментально в ПЗС - структуре не превышает величины 0,5.

Высокая квантовая чувствительность ЭОП к свету в широком спектральном диапазоне наряду с высоким временным разрешением ( до долей пс ) делают их незаменимыми при регистрации слабых и сверхслабых изображений, в том числе и быстропро!екающих.

Кроме того, ЭОП с переменным электронно-оптическим увеличением дает возможность получения увеличенных фрагментов исследуемого изображения с некоторой потерей выходной яркости, но с повышением разрешающей способности , в то время , как при компьютерной обработке изображений это приводит к снижению разрешающей способности.

Глава третья Г ИБРИДНЫЕ ЭОП

Гибридные электронно-оптические преобразователи (ГЭОП) представляют собой ЭОП, у которых выходной катодо-люминесцентный экран заменен на матрицу электронно-чувствительных структур ( ЭЧС ) в виде полупроводниковых диодов. В этом случае выходной сигнал представляется непосредственно в виде электрического кода, что особенно ценно для низкоуровневых ТВ - систем или ввода слабых оптических изображений в компьютер.

Кроме того, ГЭОП обладают рядом преимуществ перед ЭОП, основные из которых [3|: более высокое быстродействие, больший динамический диапазон, лучшее отношение сигнал / шум. Последнее обстоятельство обусловлено высокой 'эффективностью ЭЧС регистрации единичных фотоэлектронов.

В [4,5] показано, что для данной скорости поступления фотонов на фотокатод результат фотометрирования тем точнее, чем больше время измерения I.

Одноэлектронный метод регистрации может быть реализован при условии, что амплитуда импульса, содержащая п электронов, превысит заданный порог амплитудной дискриминации По по нижнему уровню, отсекающий шум измерительной аппаратуры совместно с шумом ЭЧС.

Основное преимущество режима счета электронов перед токовым ( аналоговым ) режимом заключается в следующем [5]. При измерении постоянного тока вклад в выходной сигнал каждого импульса с ЭЧС пропорционален амплитуде этого импульса и ток на выходе ГЭОП представляется как случайный импульсный процесс. Тогда, при наличии большого разброса импульсов по амплитуде отношение сигнал / шум на выходе ГЭОП заметно уменьшится.

В противоположность этому, при счете фотоэлектронов регисгриуется каждый импульс, амплитуда которого превысила заданный порог п„

Было показано [5] , что эффективность регистрации единичных фотоэлектронов для ЭЧС прямо пропорцианальна величине Кку / И , где Кцу - коэффициент катодоусиления ЭЧС, Р -фактор Фано для данного полупроводника , Ь'< 1 ( при условии минимизации темповых токов и емкостей диодов ).

К*,, равно числу электронно- дырочных пар, рожденных одним падающим фотоэлектроном и определяется выражением.

К „у- ( XV - ) / 3 Ек, где энергия первичного электрона,№'0 ~ 2.3 кэВ - энергия, необходимая для пропрела "мертвого" слоя ЭЧС, включающего в себя металлический элекггрод и области полупроводника с большой скоростью рекомбинации, Ек - ширина запрещенной зоны полупроводника.

Для кремниевых структур ( Ев ~ 1,2 эВ таким образом, реальны величины Кку не менее 3000 при ускоряющем напряжении на ГЭОП 15 кВ, однако они несовсместимы с технологией изготовления фотокатодов, что проявляется в резком ( на четыре - пять порядков ) увеличении темповых токов ЭЧС по окончании технологического процесса активировки фотокатода, заключающейся в обработке в парах щелочных металлов ( Ыа, К, Се).

В связи с этим была найдена [6,7] изображенная на рис. 1 структура ЭЧС в виде диода с барьером Шоттки (ДБШ) на основе I - ОаА$, совместимая с технологическим процессом изготовления фотокатодов (усилительные и шумовые характеристики до и после изготовления ГЭОП идентичны ). Высокоомный ( 109 Ом- см ) \ - ваЛв формировался облучением ионами Аг с дозой 3x1013 ион / см2 и энергией 30 кэВ в п-ОаАэ ( п=10!6 см"3 ). Толщина А! - контакта составляла 0,1 мкм, толщина 1- слоя 1 мкм.

В готовых ГЭОП данная ЭЧС при размере 0,42x0,25 мм2 имела при I) = 15 кВ «^=2500, темновой ток 1 нА, емкость С = 7 пФ

Ниже в таблице приведены основные парамет ры ( обратный ток при смещении 2В и коэфициенг усиления при обратном смещении 2 В и энергии электронов 15 кэВ ) ранее используемых в ГЭОП кремниевых р-п-переходов и предложенных ДБШ А1 - (I -СаАя) при одинаковых геометрических размерах приемных элементов по этапам технологического цикла изготовления ГЭОП: исходная структура, после обезгаживающего прогрева при температуре 500° С в течении 15 часов и после изготовления фотокатода.

- 14 -К схеме измерения

Рис. Г. Структура ЭЧС ня основа срсеиида галлия. к *10ч о +0.8 +

Зависимость коэффициента усиления ЗЧС от напряжения смещения структура обратный ток, мкА коэффициент усиления исходная после прогрева после изгот. ф.к исходная после прогрева 3000 ~ 2500 " после изгот. ф.к 3000 ~ 2500 ~

81 - р-п-переход 0,04 0, ваАв-ДЕШ 0,0006 О.ОООб"1 0,

Как видно из таблицы кремниевые р-п-переходы резко увеличивают обратный ток после изготовления фотокатода, причиной чему является наличие на поверхности ионов щелочных металлов, что резко увеличивает ток поверхностной утечки.

В противоположность этому в 1 -СЗаАз плотность поверхностных состояний намного меньше, чем в I - кроме того в структуре ДБШ область пространственного заряда не выходит близко к границе раздела раздела металл - полупроводник, как это происходит в р-п- переходе. Таким образом, структура ДБШ на основе ¡-СаАв не подвержена поверхностному шунтированию ионами щелочных металлов, что и обеспечивает ей совместимость с технологией изготовления фотокатодов.

В работах [6,7] был предложен путь увеличения К^ за счет обеспечения инжекции в пЧ - переходе. Поскольку в ь ОаАя уровень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, в п- ОаАэ - вблизи дна зоны проводимости, на границе п - и 1 - областей областей образуется потенциальный барьер. При наложении напряжения смещения к ЭЧС практически все напряжение падает на ¡- область в силу высокого ее сопротивления. В 1- области перед п - переходом образуется потенциальная яма. При облучении электронным потоком в 1- области происходит генерация и разделение пар носителей заряда: электроны стекаются к электроду , находящимся под положительным потенциалом ( коллектору), дырки накапливаются в потенциальной яме вблизи п-ь перехода Накопление положительного заряда дырок приводит к снижению потенциального барьера и дополнительной инжекции (обусловленной сигналом ) электронов в i - область. Инжектированные электроны полем переносятся к коллектору и дают приращение тока (обусловленное сигналом) во внешней цепи, что и обеспечивает дополнительное усиление сигнала в ЭЧС.

Очевидно, что для обеспечения режима инжектирования Ы -перехода необходимо напряжение смещения подавать в прямом направлении ( плюсом на А1 контакт ).

На рис.2 изображена зависимость К^ от напряжения смещения исм при ускоряющем напряжении на ГЭОП 10 кВ.

Из рис. 2 видно, что имеется максимум зависимости при исм = 0,8 В. Данный ход кривой при исн > 0 можно интерпретировать следующим образом.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Шахраманьян, Николай Андраникович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа является обобщением длительных исследований автора в области разработки ЭОП и аппаратуры на их основе. По результатам этих исследований была решена крупная научно-техническая проблема электронно-оптического приборостроения, включающая в себя комплекс задач, а именно:

1. Найдена оптимальная электронно-чувствительная структура для ГЭОГ1 в виде ДБШ на основе ьваАз.

2. Повышена чувствительность ГЭОП за счет получения дополнительного усиления в ЭЧС в режиме прямого смещения.

3. Разработана методика исследования собственных шумов

ЭОП в числах единичных электронов с фотокатода, отличающаяся высокой точностью.

4. Достоверно определена природа собственных шумов ЭОП и разработаны научно-обоснованные пути их снижения.

5. Предложен и апробован путь увеличения ИК-чувствитель-ности S-1-фотокатода за счет наложения напряжения смещения.

6. Создана концепция модернизации ЭОП с высокими значениями пространственного разрешения ( не менее 50 мм"' ) и коэффициента усиления яркости ( не менее 1000 ), не сопровождающаяся резким росто их себестоимости.

7. Разработаны, изготовлены и внедрены в серийное производство на Московском электроламповом заводе образцы ЭОП ЭП-60 и ЭПВ-41.

8. Разработана и внедрена в серийное производство на Московском электроламповом заводе технология изготовления ЭОП с низкой себестоимостью.

9. Разработан, изготовлен и внедрен в опытное производство в НИИ электронных приборов образец ЭОП ЭП-М-01, являющийся низкозатратным аналогом ЭОП 3 поколения для гражданского применения.

10 Разработан, изготовлен и внедрен в опытное производство в НИИ электронных приборов инфракрасный ЭОП нового поколения - термоэмиссионный ЭОП.

11. Разработана, изготовлена и внедрена в Российский медико-инженерный центр компьютеризированная система визуализации приповерхностного кровообращения для диагностических и лечебных целей.

12. Предложен принцип и изготовлена система визуализации внутренней структуры некоторых биообъектов, что формирует базу для создания новых систем медицинской ИК-интроскопии на основе импульсных ЭОП.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1. Шахраманьян H.A. Электронно-оптические визуализаторы инфракрасных изображений. - Москва, 1998, "УРСС", - 182с.

2. Дебур В.Г., Коган В.М., Мечетин A.M., Рылов B.C., Шахраманьян H.A. Фотоэлектронный преобразователь. //Приборы и техника эксперимента,- 1986.-№ 3- с. 171-173

3. Шахраманьян H.A. Анализ источников шумов гибридных электронно-оптических преобразователей. // Аналитический обзор ЦНИИ информации,- М,- 1985- № 3740 - 29 с.

4. Шахраманьян H.A. Гибридный электронно - оптический преобразователь.// 23 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. Тезисы докладов,- Москва, 1998.-е. 131. ( на англ. языке ).

5. Шахраманьян H.A. Гибридный электронно - оптический преобразователь как счетчик фотонов. // 23 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике: Тезисы докладов.- Москва, 1998 - с. 130. ( на англ. языке ).

6. А.с.1263133. СССР. МКИ6 J02B2312. Мишень фотоэлектронного прибора. / Коган В.М., Зорин Е.И., Абрамова Н.Н , Мечетин A.M., Шахраманьян H.A., 1985 г.

7. Шахраманьян H.A., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Исследование катодоусиления в структурах на основе i-GaAs. // 23 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике: Тезисы докладов,-Москва, 1998 - с. 140. ( на англ. языке)

8 A.c. 1362349. СССР. МКИ6 НО 1J 31/50. Способ определения шумовых характеристик входного узла фотоэлектронного прибора. / Шахраманьян H.A., Мечетин A.M., 1986 г.-6с : ил.

9. A.c. 1177864. СССР. МКИ6 HOI J 31/50. Способ определения шумовых характеристик гибридного электронно-оптического преобразователя. /Соколов Д.С., Шахраманьян H.A., Мечетин A.M., 1985 г.-4с.: ил.

10. Шахраманьян H.A. Экспериментальное исследование миогоэлектронных шумов ЭОП. // 23 Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике: Тезисы докладов,-Москва, 1998.- с 132. ( на англ. языке ).

11. A.c. 1799191. СССР. МКИ" H01J31/ 50 . Способ тренировки фотоэлектронного прибора. / Кузнецов В.Л, Мечетин A.M., Соколов Д.С'., Шахраманьян H.A., Литвина 11.К., Ьуренкова JI M., 1990 г.

12. Патент 2091899 на изобретение. РФ. МПК6 H01J3I/50. Малогабаритный электронно-оптический преобразователь. Ляпунов Г.М., Шахраманьян H.A., Соколов Д.С., Литвина Н.К., Поливин С.Н., Морозов В.А., Билялов A.M., 1993 г.- 8с.: ил.

13. Шахраманьян H.A., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Новый электронно-оптический преобразователь. // 23 Международный конгресс по выскоскоростной фотографии и фотонике: Тезисы докладов.- Москва, 1998.- с. 129. ( на англ. языке ).

14. A.c. 1804781. СССР. МКИ5А61В5/00. Способ мгновенной регистрации распределения интенсивности инфракрасного излучения биообъекта по пространственным координатам вокруг него. / Шахраманьян H.A., 1990 г.- 6с.: ил.

15. Патент 2069063 на изобретение. РФ. МПК6 А61В6/ 08. Устройство для исследования внутренних органов и тканей человека. / Ляпунов Г.М., Позднов С В., Соколов Д.С., Шахраманьян H.A., 1993 г.- 8с.: ил.

16. A.c. 1609365 . СССР. MKH6J02B2312. Фотокатодный узел фотоэлектронного прибора. / Матершев Ю.В., Мечетин A.M., Соколов Д.С., Черненко Н.Д.,Шахраманьян H.A., 1988 г.

17. Бегучев В.П., Мечетин A.M., Соколов Д.С., Черненко Н.Д., Шахраманьян H.A. Термоэмиссионный приемник инфракрасного изображения. // Приборы и техника эксперимента.- 1990 - № 6 -с. 144-145.

18. A.c. 285406. СССР. МКИ4 H01J 31/50 Термоэмисинная мишень для термоэлектронного преобразователя / Мечетин A.M., Соколов Д.С., Кузнецов B.JI., Матершев Ю.В., Черненко Н.Д., Шахраманьян H.A., 1988 г.

19. Решение о выдачи патента на изобретение от 30.11.98 г. по заявке № 98116870/ 28 ( 018966 ).РФ. МПК6 G02B23/12. Прибор инфракрасного наблюдения. / Шахраманьян М.А., Шахраманьян H.A.

20. Пименов A.B., Шахраманьян H.A., Щеблыкин И.Г., Соколов Д.С., Варнавский О.П., Витухновский А.Г. Применение лазеров ближнего ИК- диапазона для медицинской интроскопии. // Журнал российских лазерных исследований. - 1999 - № 1 - т.20 -с. 12. ( на англ. языке ).

Печ. л.

Заказ

Тираж ЮО

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.