RU2766053C1 - Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) - Google Patents
Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766053C1 RU2766053C1 RU2021109800A RU2021109800A RU2766053C1 RU 2766053 C1 RU2766053 C1 RU 2766053C1 RU 2021109800 A RU2021109800 A RU 2021109800A RU 2021109800 A RU2021109800 A RU 2021109800A RU 2766053 C1 RU2766053 C1 RU 2766053C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- crystal
- hybrid
- thermal imager
- optical output
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 117
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000001931 thermography Methods 0.000 title description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 173
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 41
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 38
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 13
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 244000309464 bull Species 0.000 description 6
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 238000000899 pressurised-fluid extraction Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES
Изобретение относится к оптоэлектронике, нано- и микроэлектронике и может быть использовано для создания гибридных фотоприемников (ФП) и тепловизоров, в том числе мультиспектральных, состоящих из заданной комбинации фоточувствительных элементов (ФЧЭ) или фотодетекторов (ФД), например для создания тепловизоров с оптическим выходом на основе гибридных ФП изображений инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов, ближнего и среднего, а также дальнего диапазона, или изготовления тепловизоров с оптическим выходом на базе неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников (ММБП) излучения ИК и терагерцового (ТГц) диапазонов.The invention relates to optoelectronics, nano- and microelectronics and can be used to create hybrid photodetectors (FP) and thermal imagers, including multispectral ones, consisting of a given combination of photosensitive elements (PSE) or photodetectors (PD), for example, to create thermal imagers with an optical output based on hybrid FP images of infrared (IR) spectral ranges, near and middle, as well as far ranges, or the manufacture of thermal imagers with an optical output based on uncooled array microbolometric receivers (MMBDs) of IR and terahertz (THz) radiation ranges.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Современные многоэлементные гибридные ИК ФП представляют собой гибридные микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФЧЭ и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами (Фиг. 1). Мультиплексор это бескорпусная интегральная схема (ИС), которая обеспечивает требуемые электрические режимы работы ФЧЭ, осуществляет считывание электрических сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования падающего ИК излучения в ФЧЭ, позволяет исключить механическую развертку изображения по одной или по двум координатам и, в конечном итоге, в значительной степени определяет качество получаемого тепловизионного изображения в целом.Modern multi-element hybrid IR FPs are hybrid microassemblies of two crystals: a PSE matrix crystal and a multiplexer crystal, connected, for example, by indium micropillars (Fig. 1). A multiplexer is a packageless integrated circuit (IC) that provides the required electrical operating modes of the PSE, reads the electrical signals obtained as a result of photoelectric conversion of the incident IR radiation into the PSE, eliminates the mechanical scanning of the image along one or two coordinates, and, ultimately, largely determines the quality of the resulting thermal image as a whole.
В нано- и микроэлектронных конструкциях и вариантах технологии создания ИК ФП и тепловизоров в гибридном исполнении используют ФП в виде гибридной микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФД и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами; в монолитном исполнении применяют ФП в виде кристаллов мультиплексоров с интегрированными на них массивами ФЧЭ или ФД.In nano- and microelectronic designs and technology options for creating IR FP and hybrid thermal imagers, a FP is used in the form of a hybrid microassembly of two crystals: a PD matrix crystal and a multiplexer crystal, connected, for example, by indium micropillars; in a monolithic version, a FP is used in the form of multiplexer crystals with PSE or PD arrays integrated on them.
Преобразование (изменение) спектра при визуализации последовательности невидимых для глаза изображений является перспективной, прорывной научной проблемой. Имеются разные научно-технические подходы к решению указанной проблемы.The transformation (change) of the spectrum when visualizing a sequence of images invisible to the eye is a promising, breakthrough scientific problem. There are different scientific and technical approaches to solving this problem.
АНАЛОГИ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВАANALOGUES OF THE DEVICE DESIGN
Известны многочисленные конструкции электронно-оптических преобразователей (ЭОП), преобразующих излучение ближнего ИК спектрального диапазона в видимое излучение. Однако ЭОП и тепловизоры на их основе имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных тепловых "засветок" [Гибин И.С., Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Прикладная физика. 2019. №3. С. 31-38; Карамурзов Б.С., Мустафаев Г.А., Кармоков А.М., Молоканов О.А., Панченко В.А. Электронно-оптический преобразователь // Патент РФ на изобретение. №RU 2476952 С2. Бюл. №6. Опубл. 27.02.2013 г.; Гибин И.С, Котляр П.Е. Электронно-оптический преобразователь изображения с автоэмиссионным фотокатодом // Патент РФ на изобретение. №RU 2657338 С1. Бюл. №17. Опубл. 13.06.2018 г.; Саликов В.Л., Украинский С.А. Прибор ночного видения // Патент РФ на изобретение. №RU 2189066 С1. Бюл. №25. Опубл. 10.09.2002 г.].Numerous designs of electron-optical converters (EOC) are known that convert radiation of the near-IR spectral range into visible radiation. However, image intensifier tubes and thermal imagers based on them have significant drawbacks: high complexity of design and technology, large overall dimensions and dependence on strong thermal "illuminations" [Gibin I.S., Kotlyar P.E. Image intensifier tube with field emission photocathode // Applied Physics. 2019.
Известен конвертер - преобразователь изображений миллиметрового (ММ) диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант.2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками. Имея достаточно сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона.A converter is known - a converter of images of the millimeter (MM) range into two-dimensional signals of the IR spectral range [Paulish A.G., Fedorinin V.N., Kuznetsov S.A., Ardzhannikov A.V. Detectors of millimeter wave images based on MM-IR converter // Kontenant.2013. T. 12, No. 1. S. 58-64]. MM-IR converters have certain disadvantages. Having a rather complex design, MM-IR converters are designed primarily for the MM range.
Известен матричный преобразователь ТГц излучения (варианты) [Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный преобразователь терагерцового излучения (варианты) // Патент РФ на изобретение. №RU 2482527 С. 2. Бюл. №14. Опубл. 20.05.2013 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона.A matrix converter of THz radiation (options) is known [Kuznetsov S.A., Fedorinin V.N., Gelfand A.V., Paulish A.G. Matrix transducer of terahertz radiation (options) // Patent of the Russian Federation for the invention. No. RU 2482527 C. 2. Bull. No. 14. Published May 20, 2013]. Having a rather complex design, THz-IR converters are designed primarily for converting THz radiation into infrared radiation.
Известен матричный приемник ТГц излучения на основе многоэлементной структуры ячеек Голлея [Кузнецов С.А., Федоринин В.Н., Гельфанд А.В., Паулиш А.Г. Матричный приемник терагерцового излучения // Патент РФ на изобретение. №RU 2414688 С. 1. Бюл. №8. Опубл. 20.03.2011 г.]. Имея достаточно сложную конструкцию матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.A matrix receiver of THz radiation based on the multi-element structure of Holley cells is known [Kuznetsov S.A., Fedorinin V.N., Gelfand A.V., Paulish A.G. Matrix receiver of terahertz radiation // Patent of the Russian Federation for the invention. No. RU 2414688 C. 1. Bull. No. 8. Published March 20, 2011]. Having a rather complex design, matrix receivers of THz radiation based on Golley cells are designed primarily for converting input THz radiation into electrical signals.
Известен детектор изображений миллиметрового диапазона на основе ММ - ИК конвертера, преобразующий изображения ММ-диапазона в двумерные сигналы ИК спектрального диапазона с последующим считыванием полученных в результате фотоэлектрического преобразования ИК-фотосигналов в электрические сигналы в фоточувствительных элементах (ФЧЭ) [Паулиш А.Г., Федоринин В.Н., Кузнецов С.А., Арджанников А.В. Детекторы изображений миллиметрового диапазона на основе ММ-ИК конвертера // Контенант.2013. Т. 12, №1. С. 58-64]. Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ - волн.A millimeter-wave image detector based on an MM-IR converter is known, which converts MM-band images into two-dimensional signals of the IR spectral range, followed by reading the IR photosignals obtained as a result of photoelectric conversion into electrical signals in photosensitive elements (PSE) [Paulish A.G., Fedorinin V.N., Kuznetsov S.A., Ardzhannikov A.V. Detectors of millimeter wave images based on MM-IR converter // Kontenant.2013. T. 12, No. 1. S. 58-64]. MM image detectors based on the MM-IR converter have the following disadvantages: complexity of technology and design, significant overall dimensions, the main area of application is the range of MM waves.
Известны многоэлементные гибридные ИК - фотоприемники, состоящие из двух основных частей: многоэлементной фоточувствительной структуры (кристалла матрицы фотодетекторов) и {кристалла} кремниевого мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами в гибридную микросборку (см. Фиг. 1) [Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Шашкин В.В. Кремниевые мультиплексоры для многоэлементных фотоприемников ИК - диапазона // Автометрия. 2005. Т. 41, №3. С. 88-99]. Известные гибридные многоэлементные ИК - фотоприемники в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами, с обычным выходом фотосигналов для последующей визуализации входных невидимых изображений потребуют дополнительно отдельные блоки управления фотоприемником и предварительной и основной обработки формируемых фотосигналов, а также отдельный дисплей (монитор) для отображения исходных изображений в заданном спектральном диапазоне.Known multi-element hybrid IR - photodetectors, consisting of two main parts: a multi-element photosensitive structure (crystal array photodetectors) and {crystal} silicon multiplexer, connected, for example, indium micropillars in a hybrid microassembly (see Fig. 1) [Kozlov A.I. , Marchishin I.V., Ovsyuk V.N., Shashkin V.V. Silicon multiplexers for multielement IR photodetectors // Avtometriya. 2005. V. 41, No. 3. S. 88-99]. Known hybrid multi-element IR photodetectors in the form of a hybrid microassembly of two crystals: a photodetector array crystal and a multiplexer crystal, connected, for example, by indium micropillars, with a conventional photosignal output for subsequent visualization of input invisible images will require additionally separate photodetector control units and preliminary and main processing of the generated photosignals , as well as a separate display (monitor) for displaying original images in a given spectral range.
ПРОТОТИП КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВИЗОРАTHE PROTOTYPE OF THE THERMAL IMAGER DESIGN
Известны многочисленные конструкции обычных тепловизоров, которые в наиболее общем виде состоят из: ИК или ТГц ФП для преобразования входных изображений в электрические сигналы, блоков охлаждения или стабилизации температуры ФП (при необходимости), блоков управления ФП и предварительной обработки формируемых фотосигналов, а также видеопроцессора для последующей обработки сигналов и дисплея (монитора) для визуализации исходных изображений в заданном спектральном диапазоне (Фиг. 2) [Вайнер Б.Г., Ли И.И., Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Базовкин В.М., Захаров И.М., Гузев А.А., Субботин И.М., Ефимов В.М., Валишева Н.А., Строганов А.С. Матричный тепловизор // Патент РФ на изобретение №RU 2152138 С. 1. Бюл. №18. Опубл. 27.06.2000 г.]. Данный тепловизор является наиболее близким техническим решением и может быть принят за прототип. Основной недостаток наиболее близкого технического решения (исполнения) тепловизоров связан с технологией изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и немалыми, большими весогабаритными характеристиками.Numerous designs of conventional thermal imagers are known, which in the most general form consist of: an IR or THz photodetector for converting input images into electrical signals, cooling units or temperature stabilization of the photodetector (if necessary), control blocks for the photodetector and pre-processing of the generated photo signals, as well as a video processor for subsequent processing of signals and a display (monitor) for visualization of the original images in a given spectral range (Fig. 2) [Weiner B.G., Li I.I., Kuryshev G.L., Kovchavtsev A.P., Bazovkin V.M. ., Zakharov I.M., Guzev A.A., Subbotin I.M., Efimov V.M., Valisheva N.A., Stroganov A.S. Matrix thermal imager // Patent of the Russian Federation for the invention No. RU 2152138 C. 1. Bull. No. 18. Published June 27, 2000]. This thermal imager is the closest technical solution and can be taken as a prototype. The main drawback of the closest technical solution (execution) of thermal imagers is related to the manufacturing technology based on individual blocks. These blocks, of course, can be made in microelectronic design and miniaturized, but still, in the end, it will be a kind of volumetric structure with certain and considerable, large weight and size characteristics.
НЕДОСТАТКИ ИЗВЕСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА:DISADVANTAGES OF KNOWN DESIGNS AND METHOD OF MANUFACTURING THERMAL IMAGER:
1. Тепловизоры на основе ЭОП имеют существенные недостатки: высокая сложность конструкции и технологии, большие габаритные размеры и зависимость от сильных входных тепловых "засветок". ММ-ИК конвертеры обладают определенными недостатками.1. Thermal imagers based on image intensifier tubes have significant disadvantages: high complexity of design and technology, large overall dimensions and dependence on strong input thermal "illuminations". MM-IR converters have certain disadvantages.
2. Имея весьма сложную конструкцию ММ-ИК конвертеры предназначены преимущественно для ММ-диапазона. Конструктивно достаточно сложные ТГц-ИК конвертеры предназначены преимущественно для преобразования ТГц-излучения в излучение ИК-диапазона. Имея достаточно сложную конструкцию, большие размеры элементарных ячеек и значительные габариты матричные приемники ТГц излучения на основе ячеек Голлея предназначены преимущественно для преобразования входного ТГц-излучения в электрические сигналы.2. Having a very complex design, MM-IR converters are designed primarily for the MM range. Structurally, rather complex THz-IR converters are designed primarily for converting THz radiation into infrared radiation. Having a rather complex design, large unit cells and significant dimensions, THz radiation array receivers based on Golley cells are mainly designed to convert input THz radiation into electrical signals.
Детекторы изображений ММ-диапазона на основе ММ-ИК конвертера обладают следующими недостатками: сложность технологии и конструкции, значительные габаритные размеры, основная область применения - диапазон ММ-волн.MM-band image detectors based on MM-IR converter have the following disadvantages: complexity of technology and design, significant overall dimensions, the main area of application is the range of MM-waves.
При этом основной недостаток наиболее близкого технического решения тепловизоров связан с технологией их изготовления на основе отдельных блоков. Указанные блоки, конечно, могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении и, в какой-то мере, миниатюризированы, но все равно, в конечном итоге, это будет некая объемная конструкция, обладающая определенными и большими весогабаритными параметрами.At the same time, the main drawback of the closest technical solution for thermal imagers is associated with the technology of their manufacture based on individual blocks. These blocks, of course, can be made in microelectronic design and, to some extent, miniaturized, but still, in the end, it will be a kind of three-dimensional structure with certain and large weight and size parameters.
3. Кроме того, в качестве блоков известных аналогов тепловизоров используют фотоэлектронные модули (ФП) в корпусах или на пластинах-носителях. Из-за наличия у фотоэлектронных блоков (ФП) корпусов, механических разъемов, дополнительных подложек и носителей конструкции и способы изготовления известных аналогов тепловизоров основывают на механических креплениях и механосборочных операциях, что принципиально ограничивает возможности микроминиатюризации известных тепловизоров, а также возможности автоматизации сборочных процессов и тестирования фотоэлектронных блоков (ФП) в процессе изготовления тепловизоров.3. In addition, as blocks of well-known analogues of thermal imagers, photoelectronic modules (FP) are used in cases or on carrier plates. Due to the presence of housings, mechanical connectors, additional substrates and carriers in photoelectronic units (FPs), the structures and methods for manufacturing known analogues of thermal imagers are based on mechanical fastenings and mechanical assembly operations, which fundamentally limits the possibilities of microminiaturization of known thermal imagers, as well as the possibilities of automating assembly processes and testing photoelectronic units (FP) in the process of manufacturing thermal imagers.
4. Из-за больших габаритных размеров и значительной массы возникают также ограничения широкого применения известных тепловизоров для прорывного индустриального развития таких отраслей экономики РФ, как современное станкостроение и приборостроение, автоматизация и робототехника, высокотехнологичная медицина, телекоммуникационные технологии, исследование природных ресурсов.4. Due to the large overall dimensions and significant mass, there are also restrictions on the widespread use of well-known thermal imagers for the breakthrough industrial development of such sectors of the Russian economy as modern machine tool and instrumentation, automation and robotics, high-tech medicine, telecommunication technologies, and the study of natural resources.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Цель и предлагаемые технические решения.Purpose and proposed technical solutions.
С целью уменьшения занимаемых размеров, веса и количества отдельных блоков тепловизора на основе гибридного ФП с оптическим выходом (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) указанные блоки изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают в виде топологических узлов, систем и композиций элементов на двух кристаллах: дополнительном (третьем) кристалле массива (матрицы) излучателей и кристалле мультиплексора.In order to reduce the occupied dimensions, weight and number of individual blocks of a thermal imager based on a hybrid FP with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter), these blocks are made in nano- and microelectronic versions and placed in the form of topological units, systems and compositions of elements on two crystals: an additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters and a multiplexer crystal.
При этом в предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизоров на основе гибридных ФП и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков (ФП) в гибридном исполнении используют бескорпусную гибридную микросборку двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным, третьим кристаллом массива (матрицы) оптических излучателей.At the same time, in the proposed nano- and microelectronic designs of thermal imagers based on hybrid FPs and methods for their manufacture, a frameless hybrid microassembly of two crystals is used as line and matrix photodetector units (FP) in a hybrid design: a photodetector array crystal and a multiplexer crystal with an additional, third crystal array (matrix) of optical emitters.
Из нижеследующего подробного описания должно быть ясно, что возможны другие варианты реализации настоящего изобретения, причем различные варианты реализации изобретения показаны ниже для примера.It should be clear from the following detailed description that other embodiments of the present invention are possible, with various embodiments of the invention shown below by way of example.
Понятно, что изобретение применимо к другим, отличающимся вариантам реализации, и различные его детали могут быть модифицированы в различных аспектах, но без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание, по существу, имеют иллюстративный характер и не означают ограничений. Возможные варианты реализации настоящего изобретения и ограничения заключаются в формуле настоящего изобретения.It is clear that the invention is applicable to other, different implementation options, and its various details can be modified in various aspects, but without departing from the essence and scope of the present invention. Accordingly, the drawings and the detailed description are illustrative in nature and are not meant to be limiting. Possible embodiments of the present invention and limitations are in the claims of the present invention.
Техническими результатами изобретения по конструкции тепловизора на основе гибридного ФП являются:The technical results of the invention on the design of a thermal imager based on a hybrid FP are:
1. обеспечение максимальной микроминиатюризации конструкции тепловизора и существенное расширение области применения;1. ensuring maximum microminiaturization of the thermal imager design and a significant expansion of the scope;
2. сохранение заданного шага ФЧЭ, ФД и излучателей и уменьшение искажения визуализируемой информации из-за разных размеров ячеек ФП и ячеек экрана дисплея (монитора);2. maintaining a given step of the PSE, PD and emitters and reducing the distortion of the visualized information due to different sizes of the cells of the FP and the cells of the display (monitor) screen;
3. увеличение вероятности обнаружения визуализируемых объектов и повышение качества изображений посредством создания комбинированной, совмещающей широкополосную и узкополосную части, спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора.3. Increasing the probability of detecting visualized objects and improving the quality of images by creating a combined spectral characteristic of the thermal imager photosensitivity that combines the broadband and narrowband parts.
Техническими результатами изобретения по способу изготовления тепловизора на основе гибридного ФП являются: расширение технологической области применения вариантов способа изготовления, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления, повышение выхода годных изделий, уменьшение себестоимости тепловизоров, расширение области применения создаваемых тепловизоров и максимальная миниатюризация конструкции тепловизоров.The technical results of the invention according to the method of manufacturing a thermal imager based on a hybrid FP are: expanding the technological scope of the variants of the manufacturing method, simplifying the manufacturing technology, reducing the labor intensity of manufacturing, increasing the yield of suitable products, reducing the cost of thermal imagers, expanding the scope of the created thermal imagers and maximum miniaturization of the design of thermal imagers.
Обобщенными техническими результатами изобретения являются:The generalized technical results of the invention are:
1. В предлагаемых нано- и микроэлектронных конструкциях тепловизора на основе гибридного ФП (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) и способах их изготовления в качестве линейчатых и матричных фотоприемных блоков (ФП) в гибридном исполнении используют бескорпусные гибридные микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФЧЭ и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами.1. In the proposed nano- and microelectronic designs of a thermal imager based on a hybrid FC (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) and methods for their manufacture, unpackaged hybrid microassemblies of two crystals are used as linear and matrix photodetector units (FC) in a hybrid design: a PSE matrix crystal and multiplexer crystal connected, for example, by indium micropillars.
2. Отдельные блоки тепловизоров изготавливают в нано- и микроэлектронном исполнении и размещают на кристалле мультиплексора ФП в виде топологических узлов, систем и композиций элементов для уменьшения размеров и количества указанных блоков.2. Separate blocks of thermal imagers are made in nano- and microelectronic design and placed on the FP multiplexer chip in the form of topological units, systems and compositions of elements to reduce the size and number of these blocks.
3. Формирование комбинированной спектральной характеристики фоточувствительности тепловизора, совмещающей широкополосную и узкополосную части, за счет использования разных ФЧЭ: например, КРТ-фотодиодов и МСКЯ-фотодетекторов различных ИК спектральных диапазонов, или микроболометров, работающих в разных диапазонах.3. Formation of a combined spectral characteristic of the photosensitivity of a thermal imager, combining the broadband and narrowband parts, by using different PSEs: for example, CMT photodiodes and MQW photodetectors of various IR spectral ranges, or microbolometers operating in different ranges.
4. Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на кристалле монолитного ФП с оптическим выходом.4. Increasing the manufacturability of the method of manufacturing a thermal imager, simplifying the manufacturing technology, reducing the complexity of manufacturing; simplification of the design of this thermal imager, reduction in weight and size characteristics, increase in the percentage of yield of suitable products, reduction in cost and expansion of the scope of thermal imagers on a monolithic FP chip with an optical output.
СУЩНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМTHE ESSENCE OF THE PROPOSED DESIGNS OF A THERMAL IMAGER BASED ON A HYBRID FP WITH OPTICAL OUTPUT
Технический результат достигается четырьмя вариантами изобретения.The technical result is achieved by four variants of the invention.
Технический результат первого варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и третий дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, n≠m при n = 1 или при m = 1,The technical result of the first version of the invention is achieved by the fact that in a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photo detector matrix crystal and a multiplexer crystal and with an additional (third) emitter array crystal; the photodetector array die and the third additional emitter array die contain n×m arrays of photodetectors and emitters, respectively, where n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4 , 5, 6, 7, 8, n≠m at n = 1 or at m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,if necessary, use a separate video processor unit, separate cooling units and (or) a separate control unit,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;if necessary, a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal is performed with a conventional electrical single or multichannel photosignal output;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает инфракрасный (ИК) или терагерцовый (ТГц) фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;each elementary integral reading cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal and with an additional (third) crystal of the emitter array (matrix) includes infrared (IR) or terahertz (THz) photodetector, photosignal reader, built-in control unit (integrated processor) with random access memory (RAM) of signals in analog, digital or combined form;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.each elementary integral radiation cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal and with an additional (third) crystal of the emitter array (matrix) includes an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form, the control unit (driver) of the emitter, the optical emitter itself, consisting of one, two, three, four or more sub-radiators, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
Технический результат второго варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);The technical result of the second variant of the invention is achieved by the fact that in a thermal imager based on a frameless hybrid photodetector with an optical output in the form of a frameless hybrid microassembly of two crystals: a photo detector matrix crystal and a multiplexer crystal, with an additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters (according to the first variant structures);
над каждым ИК или ТГц фотодетектором в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц спектральных диапазонов, соответственно;above each IR or THz photodetector in each elementary reading cell of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output, individual integrated lenses of the IR or THz spectral ranges are placed, respectively;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра ИК или ТГц фотодетектора в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора.moreover, each specified lens of the corresponding spectral range is placed symmetrically with respect to the center of the IR or THz photodetector in each elementary reading cell of the thermal imager.
Технический результат третьего варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);The technical result of the third variant of the invention is achieved by the fact that in a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photo detector matrix crystal and a multiplexer crystal, with an additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters (according to the first version structures);
над каждым оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы соответствующего оптического спектрального диапазона;above each optical emitter in each elementary cell of radiation of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output, individual integral lenses of the corresponding optical spectral range are placed;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра оптического излучателя в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора.moreover, each specified lens of the corresponding spectral range is placed symmetrically with respect to the center of the optical emitter in each elementary cell of the radiation of the thermal imager.
Технический результат четвертого варианта изобретения достигается тем, что в тепловизоре на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и второй дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,The technical result of the fourth variant of the invention is achieved by the fact that in a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array of emitters; the photodetector array die and the second additional emitter array die contain n×m arrays of photodetectors and emitters, respectively, where n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4 , 5, 6, 7, 8, …, n≠m at n = 1 or at m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,if necessary, use a separate video processor unit, separate cooling units and (or) a separate control unit,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;if necessary, a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters is performed with a conventional electrical single- or multi-channel photosignal output;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает ИК или ТГц фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;each elementary integral reading cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters includes an IR or THz photodetector, a photosignal reader, an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.each elementary integral radiation cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters includes an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form, the control unit (driver) of the emitter, the actual optical emitter, consisting of one, two, three, four or more sub-emitters, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
ОСОБЕННОСТИ СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМFEATURES OF THE METHOD OF MANUFACTURING A THERMAL IMAGER BASED ON A HYBRID FP WITH OPTICAL OUTPUT
Тепловизор на основе гибридного ФП с оптическим выходом (тепловизионный динамический преобразователь спектра сигнала) в нано- и микроэлектронном исполнении изготавливают на основе интегральных блоков и размещают на кристалле мультиплексора и на дополнительном (втором или третьем) кристалле излучателей в виде топологических узлов, систем и композиций элементов с целью уменьшения занимаемых размеров и количества отдельных функциональных блоков.A thermal imager based on a hybrid FP with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) in nano- and microelectronic design is made on the basis of integrated blocks and placed on the multiplexer crystal and on an additional (second or third) emitter crystal in the form of topological nodes, systems and compositions of elements in order to reduce the occupied size and the number of individual functional blocks.
В тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника с дополнительным (вторым или третьим) кристаллом массива излучателей можно применять индивидуальные интегральные линзы соответствующих спектральных диапазонов как для ИК или ТГц фотодетекторов, так и для оптических излучателей.In a thermal imager with an optical output based on a monolithic or hybrid photodetector with an additional (second or third) emitter array crystal, individual integrated lenses of the corresponding spectral ranges can be used both for IR or THz photodetectors and for optical emitters.
В указанном тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника дополнительный (второй или третий) кристалл массива оптических излучателей можно располагать перевернутым и крепить снизу к обратной стороне хладопровода или мультиплексора гибридной микросборки, или монолитного ФП (как показано на фиг. 4, например); или разместить дополнительный кристалл рядом с ФП, на той же фокальной плоскости, где расположена матрица фотодетекторов, излучателями вверх. Во втором случае входное изображение будет поступать на многоэлементный фотоприемник, формирование выходного изображения будет осуществляться в том же направлении откуда поступает входное изображение, но со сдвигом в пространстве.In the indicated thermal imager with an optical output based on a monolithic or hybrid photodetector, an additional (second or third) crystal of the array of optical emitters can be placed upside down and fastened from below to the reverse side of the cold pipe or a hybrid microassembly multiplexer, or a monolithic photodetector (as shown in Fig. 4, for example) ; or place an additional crystal next to the photodetector, on the same focal plane where the photodetector array is located, with the emitters facing up. In the second case, the input image will be fed to a multi-element photodetector, the formation of the output image will be carried out in the same direction from which the input image comes, but with a shift in space.
Увеличение технологичности способа изготовления тепловизора на основе гибридного ФП с оптическим выходом, упрощение технологии изготовления, уменьшение трудоемкости изготовления; упрощение конструкции данного тепловизора, уменьшение массогабаритных характеристик, повышение процента выхода годных изделий, снижение себестоимости и расширение области применения тепловизоров на основе гибридного ФП с оптическим выходом.Increasing the manufacturability of the method of manufacturing a thermal imager based on a hybrid FP with an optical output, simplifying the manufacturing technology, reducing the complexity of manufacturing; simplification of the design of this thermal imager, reduction in weight and size characteristics, increase in the percentage of yield of suitable products, reduction in cost and expansion of the field of application of thermal imagers based on a hybrid FP with an optical output.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ (и иных материалов)BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (and other materials)
Сущность вариантов изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The essence of the variants of the invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings.
На фиг. 1 приведены общий вид и поперечный разрез известного гибридного фотоприемника, выполненного на основе гибридной микросборки кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 3 - ячейки считывания, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 5 - индиевые микростолбы, 6 - кристалл мультиплексора, 7 - блок охлаждения.In FIG. 1 shows a general view and a cross section of a well-known hybrid photodetector made on the basis of a hybrid microassembly of a photodetector array crystal and a multiplexer crystal: 1 - contact pads, 2 - photodetector array crystal, 3 - readout cells, 4 - IR or THz photodetector, 5 - indium micropillars , 6 - multiplexer crystal, 7 - cooling unit.
На фиг. 2 приведена известная структурная схема обычного тепловизора на основе отдельных блоков: 7 - блок охлаждения, 8 - экран, 9 - фотоприемник, 10 - корпус (криостат), 11 - блок управления, 12 - блок предобработки фотосигналов, 13 - видеопроцессор, 14 - дисплей (монитор).In FIG. Figure 2 shows a well-known block diagram of a conventional thermal imager based on separate blocks: 7 - cooling unit, 8 - screen, 9 - photodetector, 10 - housing (cryostat), 11 - control unit, 12 - photo signal preprocessing unit, 13 - video processor, 14 - display (monitor).
На фиг. 3 приведены общий вид и поперечный разрез тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом излучателей: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 3 - ячейки считывания, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 5 - индиевые микростолбы, 6 - кристалл мультиплексора, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 16 - дополнительный (третий) кристалл массива излучателей, 17 - излучатель.In FIG. Figure 3 shows a general view and a cross section of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals: a photodetector array crystal and a multiplexer crystal with an additional (third) emitter crystal: 1 - contact pads, 2 - photodetector array crystal, 3 - cells readout, 4 - IR or THz photodetector, 5 - indium micropillars, 6 - multiplexer crystal, 7 - cooling unit (with a large photodetector, several {for example, two or four} cooling units may be needed), 15 - cold pipe, for example, made of copper, 16 - additional (third) crystal array of emitters, 17 - emitter.
На фиг. 4 приведена элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: 4 - ИК или ТГц фото детектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 20 - система мультиплексирования, 21 - блок с одно- или многоканальным выходом фотосигналов кристалла мультиплексора гибридного фотоприемника (тепловизора с оптическим выходом).In FIG. Figure 4 shows an elementary integrated reading cell of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals: 4 - IR or THz photo detector, 18 - photosignal reading device, photodetector, 20 - multiplexing system, 21 - unit with a single or multi-channel output of photo signals from the hybrid photodetector multiplexer crystal (thermal imager with optical output).
На фиг. 5 приведена элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: 22 - система мультиплексирования (на дополнительном {третьем} кристалле массива излучателей), 23 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 24 - блок управления элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 25 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель.In FIG. 5 shows an elementary integral radiation cell of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals: 22 - multiplexing system (on an additional {third} crystal of the emitter array), 23 - emitter driver (emitter control unit), 24 - control unit elementary integrated radiation cell of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector, 25 is an optical emitter, where I1 is the first sub-emitter, I2 is the second sub-emitter, I3 is the third sub-emitter, I4 is the fourth sub-emitter.
На фиг. 6 приведен базовый принцип (I) работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (эскиз): 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 26 - дополнительный (третий) кристалл массива (матрицы) излучателей.In FIG. Figure 6 shows the basic principle (I) of operation of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals with an additional (third) crystal of an array (matrix) of emitters (sketch): 1 - contact pads, 2 - photodetector matrix crystal, 4 - IR or THz photodetector, 6 - multiplexer, 7 - cooling unit (with a large photodetector, several {for example, two or four} cooling units may be needed), 15 - cold pipe, for example, made of copper, 25 - optical emitter, 26 - additional (third ) a crystal of an array (matrix) of emitters.
На фиг. 7 приведен пример первого способа работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей: 1 - контактные площадки, 2 - кристалл матрицы фотодетекторов, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 26 - дополнительный (третий) кристалл массива (матрицы) излучателей, 27 - контактные площадки микрошлейфа, 28 - микрошлейф с металлической разводкой и контактными площадками.In FIG. Figure 7 shows an example of the first method of operation of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals with an additional (third) emitter array crystal: 1 - contact pads, 2 - photodetector array crystal, 4 - IR or THz photodetector, 6 - multiplexer , 7 - cooling unit (with a large photodetector, several {for example, two or four} cooling units may be needed), 15 - cold pipe, for example, made of copper, 25 - optical emitter, 26 - additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters, 27 - microloop pads, 28 - microloop with metal wiring and contact pads.
На фиг. 8 приведен пример второго способа работы тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей: 4 - ИК или ТГц фото детектор, 18 - устройство считывания фотосигналов, 19 - блок управления элементарной интегральной ячейки считывания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 20 - система мультиплексирования, 21 - блок с одно- или многоканальным выходом фотосигналов кристалла мультиплексора гибридного фотоприемника (тепловизора с оптическим выходом), 22 - система мультиплексирования (на дополнительном {третьем} кристалле массива излучателей), 23 - драйвер излучателя (блок управления излучателя), 24 - блок управления элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника, 25 - оптический излучатель, где И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель, причем субизлучатели И1 - И4 могут работать в разных спектральных диапазонах; 29 - элементарная интегральная ячейка считывания гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, 30 - гибридная микросборка двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора, 31 - процессор сигналов, 32 - элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного фотоприемника в виде гибридной микросборки двух кристаллов с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей.In FIG. Figure 8 shows an example of the second method of operation of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals with an additional (third) emitter array crystal: 4 - IR or THz photo detector, 18 - photosignal reader, 19 - unit integrated cell control unit reading thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector, 20 - multiplexing system, 21 - unit with a single or multi-channel output of photo signals from a hybrid photodetector multiplexer crystal (thermal imager with an optical output), 22 - multiplexing system (on an additional {third} crystal of the emitter array) , 23 - emitter driver (emitter control unit), 24 - control unit of an elementary integral radiation cell of a thermal imager with an optical output based on a hybrid photodetector, 25 - optical emitter, where I1 is the first sub-emitter, I2 is the second sub-emitter, I3 is the third sub-emitter, I4 - four the first sub-emitter, and the sub-emitters I1 - I4 can operate in different spectral ranges; 29 - an elementary integrated reading cell of a hybrid photodetector in the form of a hybrid micro-assembly of two crystals: a photo-detector array crystal and a multiplexer crystal, 30 - a hybrid micro-assembly of two crystals: a photo-detector matrix crystal and a multiplexer crystal, 31 - a signal processor, 32 - an elementary integral cell of the thermal imager radiation with an optical output based on a hybrid photodetector in the form of a hybrid microassembly of two crystals with an additional (third) crystal of the emitter array.
На фиг. 9 приведен базовый принцип (II) работы тепловизора с оптическим выходом на основе монолитного фотоприемника в виде кристалла мультиплексора с интегрированным на него массивом (матрицей) фотодетекторов и с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей (эскиз): 1 - контактные площадки, 4 - ИК или ТГц фотодетектор, 6 - мультиплексор, 7 - блок охлаждения (при большом фотоприемнике может понадобиться несколько {например, два или четыре} блоков охлаждения), 15 - хладопровод, например, из меди, 25 - оптический излучатель, 27 - контактные площадки микрошлейфа, 28 - микрошлейф с металлической разводкой и контактными площадками, 33 - дополнительный (второй) кристалл массива излучателей.In FIG. Figure 9 shows the basic principle (II) of the operation of a thermal imager with an optical output based on a monolithic photodetector in the form of a multiplexer crystal with an array (matrix) of photodetectors integrated on it and with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters (sketch): 1 - contact pads, 4 - IR or THz photodetector, 6 - multiplexer, 7 - cooling unit (with a large photodetector, several {for example, two or four} cooling units may be needed), 15 - cold pipe, for example, made of copper, 25 - optical emitter, 27 - contact microloop pads, 28 - microloop with metal wiring and contact pads, 33 - additional (second) crystal of the emitter array.
В тепловизоре с оптическим выходом на основе монолитного или гибридного фотоприемника с дополнительным (вторым или третьим) кристаллом массива излучателей можно применять индивидуальные интегральные линзы соответствующих спектральных диапазонов как для ИК или ТГц фотодетекторов, так и для оптических излучателей.In a thermal imager with an optical output based on a monolithic or hybrid photodetector with an additional (second or third) emitter array crystal, individual integrated lenses of the corresponding spectral ranges can be used both for IR or THz photodetectors and for optical emitters.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Первый вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фото детекторов и третий дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,The first version of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output consists of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector array crystal and a multiplexer crystal with an additional (third) emitter array crystal; the photodetector array crystal and the third additional emitter array crystal contain matrices of n×m photodetectors and emitters, respectively, where n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m at n = 1 or at m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,if necessary, use a separate video processor unit, separate cooling units and (or) a separate control unit,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фото детекторов и кристалла мультиплексора выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;if necessary, a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal is performed with a conventional electrical single or multichannel photosignal output;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает инфракрасный (ИК) или терагерцовый (ТГц) фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;each elementary integral reading cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal and with an additional (third) crystal of the emitter array (matrix) includes infrared (IR) or terahertz (THz) photodetector, photosignal reader, built-in control unit (integrated processor) with random access memory (RAM) of signals in analog, digital or combined form;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора и с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.each elementary integral radiation cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal and with an additional (third) crystal of the emitter array (matrix) includes an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form, the control unit (driver) of the emitter, the optical emitter itself, consisting of one, two, three, four or more sub-radiators, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
Второй вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);The second version of the thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output consists of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector matrix crystal and a multiplexer crystal with an additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters (according to the first design option);
над каждым ИК или ТГц фотодетектором в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы ИК или ТГц спектральных диапазонов, соответственно;above each IR or THz photodetector in each elementary reading cell of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output, individual integrated lenses of the IR or THz spectral ranges are placed, respectively;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра ИК или ТГц фотодетектора в каждой элементарной ячейке считывания тепловизора.moreover, each specified lens of the corresponding spectral range is placed symmetrically with respect to the center of the IR or THz photodetector in each elementary reading cell of the thermal imager.
Третий вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки двух кристаллов: кристалла матрицы фотодетекторов и кристалла мультиплексора с дополнительным (третьим) кристаллом массива (матрицы) излучателей (по первому варианту конструкции);The third version of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output consists of a packageless hybrid microassembly of two crystals: a photodetector array crystal and a multiplexer crystal with an additional (third) crystal of the array (matrix) of emitters (according to the first design option);
над каждым оптическим излучателем в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом располагают индивидуальные интегральные линзы соответствующего оптического спектрального диапазона;above each optical emitter in each elementary cell of radiation of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output, individual integral lenses of the corresponding optical spectral range are placed;
причем каждую указанную линзу соответствующего спектрального диапазона располагают симметрично относительно центра оптического излучателя в каждой элементарной ячейке излучения тепловизора.moreover, each specified lens of the corresponding spectral range is placed symmetrically with respect to the center of the optical emitter in each elementary cell of the radiation of the thermal imager.
Четвертый вариант тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива излучателей; кристалл матрицы фотодетекторов и второй дополнительный кристалл массива излучателей содержат матрицы n×m фотодетекторов и излучателей, соответственно, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1,The fourth version of the thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output consists of a packageless hybrid micro-assembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) emitter array crystal; the photodetector array die and the second additional emitter array die contain n×m arrays of photodetectors and emitters, respectively, where n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4 , 5, 6, 7, 8, …, n≠m at n = 1 or at m = 1,
при необходимости применяют отдельный блок видеопроцессора, отдельные блоки охлаждения и (или) отдельный блок управления,if necessary, use a separate video processor unit, separate cooling units and (or) a separate control unit,
при необходимости бескорпусной гибридный фотоприемник с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей выполняют с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов;if necessary, a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters is performed with a conventional electrical single- or multi-channel photosignal output;
каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает ИК или ТГц фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде;each elementary integral reading cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters includes an IR or THz photodetector, a photosignal reader, an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form;
каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе бескорпусного гибридного фотоприемника с оптическим выходом в виде бескорпусной гибридной микросборки кристалла монолитного фотоприемника с дополнительным (вторым) кристаллом массива (матрицы) излучателей включает встроенный блок управления (интегральный процессор) с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.each elementary integral radiation cell of a thermal imager based on a packageless hybrid photodetector with an optical output in the form of a packageless hybrid microassembly of a monolithic photodetector crystal with an additional (second) crystal of an array (matrix) of emitters includes an integrated control unit (integrated processor) with RAM signals in analog, digital or combined form, the control unit (driver) of the emitter, the actual optical emitter, consisting of one, two, three, four or more sub-emitters, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВИЗОРА НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ФП С ОПТИЧЕСКИМ ВЫХОДОМOPERATING PRINCIPLE OF A THERMAL IMAGER BASED ON A HYBRID FP WITH OPTICAL OUTPUT
Бескорпусные гибридные ФП выполняют в виде гибридной микросборки из двух кристаллов: кристалла матрицы ФД и кристалла мультиплексора, соединенных, например, индиевыми микростолбами. В монолитном исполнении применяют ФП в виде кристаллов мультиплексоров с интегрированными на них массивами ФЧЭ или ФД. При необходимости бескорпусные гибридные ФП располагают на хладопроводе. Массивы (матрицы) ФД фотоприемников могут быть прямоугольными или квадратными, состоять из одного, двух, трех, четырех (например, в виде массива 2×2) и более элементов, что определяется требуемым пространственным разрешением ФП.Packageless hybrid FPs are made in the form of a hybrid microassembly of two crystals: a PD matrix crystal and a multiplexer crystal, connected, for example, by indium micropillars. In a monolithic version, a FP is used in the form of multiplexer crystals with PSE or FD arrays integrated on them. If necessary, unpackaged hybrid FPs are located on the cold pipe. Arrays (matrices) of PD photodetectors can be rectangular or square, consist of one, two, three, four (for example, in the form of a 2 × 2 array) or more elements, which is determined by the required spatial resolution of the photodetector.
Гибридные или монолитные ФП, при необходимости, могут состоять из различных комбинаций ФД, фоточувствительных в разных (УФ, видимом, ИК, ТГц и/или др.) спектральных диапазонах и выполненных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), кремниевых фотодиодов, КРТ-фотодиодов, МСКЯ-фотодетекторов, детекторов на основе сверхрешеток или микроболометров, в зависимости от задачи, решаемой тепловизором с оптическим выходом. Такие гибридные или монолитные ФП обладают комбинированной спектральной характеристикой чувствительности за счет использования разных типов ФД, например, на основе микроболометров, работающих одновременно в разных спектральных диапазонах: ИК и ТГц.Hybrid or monolithic photodetectors, if necessary, can consist of various combinations of PDs that are photosensitive in different (UV, visible, IR, THz and / or others) spectral ranges and are based on charge-coupled devices (CCDs), silicon photodiodes, MCT -photodiodes, MSQF photodetectors, detectors based on superlattices or microbolometers, depending on the task solved by a thermal imager with an optical output. Such hybrid or monolithic PDs have a combined spectral sensitivity characteristic due to the use of different types of PDs, for example, based on microbolometers operating simultaneously in different spectral ranges: IR and THz.
Длинноволновую границу фоточувствительности, например, в ИК спектральном диапазоне обеспечивают конструкцией ФЧЭ, а коротковолновую границу фоточувствительности - "отрезающим" оптическим фильтром. Мультиплексор обеспечивает параллельное считывание и обработку сигналов матриц ФД заданных спектральных диапазонов. Последующую обработку и совмещение изображений в разных спектральных диапазонах от отдельных ФД осуществляют сигнальным видеопроцессором.The long-wavelength photosensitivity limit, for example, in the IR spectral range, is provided by the design of the PSE, and the short-wavelength photosensitivity limit is provided by a "cutting" optical filter. The multiplexer provides parallel reading and processing of signals from PD matrices of specified spectral ranges. Subsequent processing and alignment of images in different spectral ranges from individual FDs is carried out by a video signal processor.
Разделение падающего на матрицы ФД и эмитированного (сформированного) массивами излучателей потоков излучения или фотонов, при необходимости, осуществляют в заданных спектральных диапазонах светоделителями. В некоторых случаях оптическую систему не применяют. Каждый ФД и каждый излучатель работают в своем заданном диапазоне.Separation of the PD incident on the matrices and emitted (formed) by arrays of emitters of radiation fluxes or photons, if necessary, is carried out in the given spectral ranges by beam splitters. In some cases, the optical system is not used. Each FD and each emitter operate within its specified range.
Изображение визуализируемой сцены фокусируют на фокальную плоскость расположения матриц (массивов) ФД гибридного или монолитного ФП (фиг. 4, 9). В каждой элементарной интегральной ячейке считывания тепловизора с оптическим выходом, в ИК или ТГц фотодетекторах (4) с помощью устройства (18) считывания фотосигналов происходит фотоэлектрическое преобразование. Первый способ работы тепловизора с оптическим выходом на кристалле гибридного или монолитного фотоприемника. Под управлением блока (19) и с обработкой в блоках (19, 24) с аналоговым или цифровым ОЗУ считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления (драйвер) {23} оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией, предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ и сигналами управления. Излучатель (25), при необходимости, может состоять из 1-го, 2-х, 3-х, 4-х или более субизлучателей (например, И1 - первый субизлучатель, И2 - второй субизлучатель, И3 - третий субизлучатель, И4 - четвертый субизлучатель) соответствующих спектральных диапазонов. Сигналы драйвера (23) управляют излучением фотонов блоком (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4, 5, 9).The image of the rendered scene is focused on the focal plane of the matrices (arrays) of the PD of a hybrid or monolithic PD (Fig. 4, 9). In each elementary integral reading cell of a thermal imager with an optical output, in IR or THz photodetectors (4), photoelectric conversion takes place using a device (18) for reading photosignals. The first method of operation of a thermal imager with an optical output on a hybrid or monolithic photodetector chip. Under the control of the block (19) and with processing in blocks (19, 24) with analog or digital RAM, the read photoelectric signals enter the control unit (driver) {23} of the optical emitter, if necessary, with correction, preprocessing in accordance with the code contained in RAM and control signals. The emitter (25), if necessary, may consist of 1, 2, 3, 4 or more sub-emitters (for example, I1 - the first sub-emitter, I2 - the second sub-emitter, I3 - the third sub-emitter, I4 - the fourth subemitter) of the corresponding spectral ranges. The driver signals (23) control the emission of photons by the block (25) and the formation of the output optical image (Fig. 4, 5, 9).
Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника несколько иным способом (вторым способом). Полученные в ФД под управлением устройства считывания (18) и блока (19) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как управляющие сигналы, поступают в блок 24 с ОЗУ каждой элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на кристалле гибридного или монолитного фотоприемника. Блок управления (24) совместно с ОЗУ выдают сигналы для драйвера (23), который управляет излучением фотонов блоком (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8, 9).The presence of an additional conventional output of photosignals allows you to organize the operation of a thermal imager with an optical output based on a hybrid or monolithic photodetector in a slightly different way (second method). The photoelectric signals received in the FD under the control of the reader (18) and block (19) of the thermal imager cell are read by the multiplexing system to the single- or multi-channel output of the crystal. These photoelectric signals are transmitted to the input of the processor for subsequent processing by appropriate algorithms, then the generated and processed photosignals, already as control signals, enter the
Для сравнения - первый способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника не использует внешний отдельный блок видеопроцессора, предварительная и основная обработка фотосигналов осуществляется во встроенных, интегральных процессорах (блоках обработки) в ячейках считывания на кристалле мультиплексора и в ячейках излучения на дополнительном (втором или третьем) кристалле массива (матрицы) излучателей тепловизора с оптическим выходом.For comparison, the first method of thermal imager operation based on a hybrid or monolithic photodetector does not use an external separate video processor unit; third) a crystal of an array (matrix) of emitters of a thermal imager with an optical output.
ПРИМЕР ПРЕДЛАГАЕМОГО ВАРИАНТА СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВИЗОРАEXAMPLE OF THE PROPOSED OPTION FOR CREATING A THERMAL IMAGER
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления вариантов создания тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника (тепловизионного динамического преобразователя спектра сигнала) с достижением указанных технических результатов, приводим нижеследующий пример реализации.As information confirming the possibility of implementing options for creating a thermal imager with an optical output based on a hybrid or monolithic photodetector (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) with the achievement of the indicated technical results, we present the following implementation example.
ПримерExample
Рассмотрим пример варианта тепловизионного динамического преобразователя спектра сигнала - тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом (фиг. 4, 8, 9).Consider an example of a variant of a thermal imaging dynamic signal spectrum converter - a thermal imager based on a hybrid or monolithic photodetector with an optical output (Fig. 4, 8, 9).
Вариант тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом состоит из бескорпусного гибридного или монолитного ФП в виде массива (матрицы) n×m фотодетекторов и излучателей, где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, …, n≠m при n = 1 или при m = 1, отдельного видеопроцессора, отдельного блока охлаждения и отдельного блока управления, которые применяют при необходимости; при необходимости бескорпусной гибридный или монолитный ФП выполняют на основе кристалла мультиплексора с обычным электрическим одно- или многоканальным выходом фотосигналов.A variant of a thermal imager based on a hybrid or monolithic photodetector with an optical output consists of an unpackaged hybrid or monolithic photodetector in the form of an array (matrix) of n × m photodetectors and emitters, where n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ..., m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ..., n≠m at n = 1 or at m = 1, a separate video processor, a separate cooling unit and a separate control unit, which are used if necessary ; if necessary, a packageless hybrid or monolithic FP is performed on the basis of a multiplexer crystal with a conventional electrical single- or multi-channel output of photo signals.
Каждая элементарная интегральная ячейка считывания тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом включает: инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов.Each elementary integrated reading cell of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output includes: an infrared or terahertz photodetector, a photosignal reading device, a built-in control unit with RAM for signals in analog, digital or combined form, a conventional electrical single or multichannel photosignal output.
Каждая элементарная интегральная ячейка излучения тепловизора на основе гибридного фотоприемника с оптическим выходом включает: встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.Each elementary integral radiation cell of a thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output includes: a built-in control unit with RAM for signals in analog, digital or combined form, a conventional electric single- or multi-channel photosignal output, an emitter control unit (driver), an optical emitter itself, consisting from one, two, three, four or more subradiators, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
Каждая элементарная интегральная ячейка считывания и излучения тепловизора на основе монолитного фотоприемника с оптическим выходом включает: инфракрасный или терагерцовый фотодетектор, устройство считывания фотосигналов, встроенный блок управления с ОЗУ сигналов в аналоговом, цифровом или комбинированном виде, обычный электрический одно- или многоканальный выход фотосигналов, блок управления (драйвер) излучателя, собственно оптический излучатель, состоящий из одного, двух, трех, четырех или более субизлучателей, при необходимости работающих в одном или в разных спектральных диапазонах.Each elementary integrated cell for reading and emitting a thermal imager based on a monolithic photodetector with an optical output includes: an infrared or terahertz photodetector, a photosignal reading device, a built-in control unit with RAM for signals in analog, digital or combined form, a conventional electric single or multichannel photosignal output, a block control (driver) of the emitter, the actual optical emitter, consisting of one, two, three, four or more sub-emitters, if necessary, operating in one or in different spectral ranges.
Наличие дополнительного обычного выхода фотосигналов позволяет организовать работу тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника двумя различными способами.The presence of an additional conventional output of photo signals allows you to organize the operation of a thermal imager with an optical output based on a hybrid or monolithic photodetector in two different ways.
Первый способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Изображение визуализируемой сцены фокусируют на массив ФД гибридного или монолитного ФП (фиг. 4, 9). В фотодетекторах (4) с помощью устройства (18) происходит фотоэлектрическое преобразование. Под управлением и с обработкой блоков (18, 19, 24) с аналоговым или цифровым ОЗУ считанные фотоэлектрические сигналы поступают в блок управления (23) оптического излучателя, при необходимости, с коррекцией и предобработкой в соответствии с кодом, содержащимся в ОЗУ и сигналами управления. Сигналы драйвера (23) управляют излучением блока (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 4, 9).The first way to operate a thermal imager based on a hybrid or monolithic photodetector with an optical output. The image of the rendered scene is focused on the PD array of a hybrid or monolithic FP (Fig. 4, 9). Photoelectric conversion takes place in photodetectors (4) using device (18). Under the control and processing of blocks (18, 19, 24) with analog or digital RAM, the read photoelectric signals enter the control unit (23) of the optical emitter, if necessary, with correction and preprocessing in accordance with the code contained in the RAM and control signals. The driver signals (23) control the radiation of the block (25) and the formation of the output optical image (Fig. 4, 9).
Второй способ работы тепловизора на основе гибридного или монолитного фотоприемника с оптическим выходом. Полученные в ФД под управлением устройства (18) считывания и блока (19) ячейки тепловизора фотоэлектрические сигналы считываются системой (20) мультиплексирования на одно- или многоканальный выход кристалла. Данные фотоэлектрические сигналы передают на вход процессора (31) для последующей обработки соответствующими алгоритмами, далее сформированные и обработанные фотосигналы, уже как внешние управляющие сигналы, поступают в блок 24 и в ОЗУ каждой элементарной интегральной ячейки излучения тепловизора с оптическим выходом на основе гибридного или монолитного фотоприемника. Блок управления (24) совместно с ОЗУ выдают сигналы для драйвера (23), который управляет излучением блока (25) и формированием выходного оптического изображения (фиг. 8, 9).The second method of operation of a thermal imager is based on a hybrid or monolithic photodetector with an optical output. The photoelectric signals received in the FD under the control of the reading device (18) and the block (19) of the thermal imager cell are read by the multiplexing system (20) to a single or multichannel crystal output. These photoelectric signals are transmitted to the input of the processor (31) for subsequent processing by the appropriate algorithms, then the generated and processed photosignals, already as external control signals, enter the
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109800A RU2766053C1 (en) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109800A RU2766053C1 (en) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2766053C1 true RU2766053C1 (en) | 2022-02-07 |
Family
ID=80214865
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021109800A RU2766053C1 (en) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2766053C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152138C1 (en) * | 1998-11-30 | 2000-06-27 | Институт физики полупроводников СО РАН | Matrix thermal imaging unit |
| RU2199830C2 (en) * | 1999-08-24 | 2003-02-27 | Владимир Дмитриевич Бобрышев | Method and device for converting thermal image into electric signal |
| US20070034798A1 (en) * | 2005-06-06 | 2007-02-15 | Hamrelius Torbjoern | IR camera |
| TWI704502B (en) * | 2018-06-08 | 2020-09-11 | 晟風科技股份有限公司 | Thermal imager with temperature compensation function for distance and its temperature compensation method |
-
2021
- 2021-04-08 RU RU2021109800A patent/RU2766053C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152138C1 (en) * | 1998-11-30 | 2000-06-27 | Институт физики полупроводников СО РАН | Matrix thermal imaging unit |
| RU2199830C2 (en) * | 1999-08-24 | 2003-02-27 | Владимир Дмитриевич Бобрышев | Method and device for converting thermal image into electric signal |
| US20070034798A1 (en) * | 2005-06-06 | 2007-02-15 | Hamrelius Torbjoern | IR camera |
| TWI704502B (en) * | 2018-06-08 | 2020-09-11 | 晟風科技股份有限公司 | Thermal imager with temperature compensation function for distance and its temperature compensation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI395324B (en) | Method, apparatus and system providing holographic layer as micro-lens and color filter array in an imager | |
| Magnan | Detection of visible photons in CCD and CMOS: A comparative view | |
| US5416324A (en) | Optical imaging device with integrated polarizer | |
| US20110234869A1 (en) | Solid-state image pickup device and image pickup apparatus | |
| US20210335876A1 (en) | Imaging element and imaging device having pixels each with multiple photoelectric converters | |
| KR20080038399A (en) | Adaptive solid state image sensor | |
| TWI781599B (en) | Hybrid cmos image sensor with event driven sensing | |
| EP3860115A1 (en) | Solid-state imaging element, solid-state imaging element control method, and electronic apparatus | |
| JP2014003116A (en) | Image pickup device | |
| US8860814B2 (en) | Solid-state imaging element and imaging device | |
| US20110181763A1 (en) | Image pickup device and solid-state image pickup element of the type illuminated from both faces | |
| US8416327B2 (en) | Solid-state image pickup apparatus | |
| RU2766053C1 (en) | Thermal imager based on a hybrid photodetector with an optical output (thermal imaging dynamic signal spectrum converter) | |
| JP2008204978A (en) | Imaging device | |
| RU2765883C1 (en) | Thermal imager on a chip of a monolithic photodetector with optical output (thermal imaging dynamic video mirror) | |
| JPS63231230A (en) | End-section lighting beam detector array | |
| US5940127A (en) | Imager including a solid state imaging device with optical low pass filter | |
| JP2009289876A (en) | Light receiving element, light reception element array, and imaging device | |
| RU2564813C1 (en) | Multichip polychromatic photo receiver (pr) with expanded spectral response of quantum efficiency | |
| JP3263282B2 (en) | Millimeter wave / infrared imaging device | |
| JP7172389B2 (en) | Imaging element, imaging device, and imaging element manufacturing method | |
| JP5299061B2 (en) | Near infrared image sensor | |
| CN217765246U (en) | Short wave infrared detector | |
| KR102476968B1 (en) | Image sensor, camera module, mobile terminal and image collection method | |
| RU201189U1 (en) | Thermal imaging device with three observation channels |