Фотоприемные устройства

Фотоприемные устройства: «глаза» современной техники

В мире существует множество излучений, которые человек не видит — инфракрасное тепло, лазерные лучи, сигналы дистанционного управления. Чтобы «увидеть» их и превратить в понятную картинку, нужны особые приборы. Главную роль в них играет фотоприемное устройство, или сокращенно ФПУ. В этой статье мы простыми словами расскажем, что это такое, как работает, зачем его иногда замораживают и где применяют.

Что такое фотоприемное устройство (ФПУ)?

Представьте себе матрицу фотоаппарата, только чувствительную не к обычному свету, а к инфракрасным лучам. Фотоприемное устройство — это как раз такой чувствительный элемент. Оно состоит из множества крошечных ячеек (пикселей), каждая из которых реагирует на падающее излучение. Когда фотоны (частицы света) попадают на ячейку, возникает слабый электрический сигнал. Затем электроника собирает сигналы со всех ячеек и превращает их в картинку на экране.

Чем больше ячеек, тем детальнее изображение — точно так же, как в обычных цифровых камерах.

Охлаждение: почему фотоприемнику нужен «холодильник»

Многие ФПУ работают при очень низких температурах. Это не прихоть конструкторов, а физическая необходимость. Дело в том, что любой предмет, даже сам фотоприемник, излучает тепло. Если детектор не охлаждать, его собственное тепло создаст шум — помехи, которые заглушат слабый сигнал от далеких объектов. Представьте, что вы слушаете тихую музыку рядом с работающим пылесосом — ничего не разобрать.

Поэтому лучшие охлаждаемые фотоприемники помещают в специальную криогенную систему, которая понижает их температуру до -200°C и ниже. Для этого используют миниатюрные холодильники, работающие по принципу цикла Стирлинга (сжатие-расширение газа). Такое устройство называют фотоприемным устройством с микрокриогенной системой.

В результате охлаждаемая матрица тепловизора становится невероятно чувствительной: она способна заметить перепад температуры в сотые доли градуса и разглядеть объект за многие километры.

Из чего делают ФПУ?

Для разных задач нужны разные материалы. Инженеры подбирают полупроводники, которые лучше всего реагируют на определенную длину волны.

• Короткие волны (SWIR, 1–3 мкм) — здесь используют арсенид индия-галлия (InGaAs). Такие детекторы видят отраженный инфракрасный свет.
• Средние волны (MWIR, 3–5 мкм) — самый популярный диапазон для высокочувствительных систем. Материалы — антимонид индия (InSb) и теллурид кадмия-ртути (КРТ). Именно на них строятся лучшие военные и научные приборы.
• Длинные волны (LWIR, 8–14 мкм) — здесь тоже применяют КРТ, но с другим составом. Эти устройства «видят» тепло, исходящее от людей, машин, зданий.

Каждый материал требует точной температуры охлаждения и сложной технологии производства, поэтому охлаждаемое фотоприемное устройство — это высокотехнологичный продукт.

Какие бывают разрешения?

Современные ФПУ выпускаются с разным количеством пикселей:

• 320 × 256 — компактные матрицы для портативных тепловизоров, прицелов, небольших дронов.
• 640 × 512 — самый массовый стандарт. Обеспечивает хорошую детализацию и используется в большинстве профессиональных приборов.
• 1280 × 1024 и выше — мегапиксельные форматы. Нужны там, где важна каждая деталь: в разведывательных самолетах, спутниках, крупных научных телескопах.
• 288 х 4 и 576 х 6 -- линейные длинноволновые охлаждаемые фотоприёмники.

Размер одного пикселя тоже уменьшается — современные технологии позволяют делать элементы размером 10–15 микрон. Это значит, что на маленькой площади помещается больше пикселей, и изображение становится четче.

Где применяются охлаждаемые фотоприемные устройства?

Благодаря уникальной чувствительности, охлаждаемые матрицы тепловизоров находят применение в самых ответственных сферах:

• Оборона и безопасность — тепловизионные прицелы, системы слежения за воздушными и наземными целями, разведывательные комплексы. Охлаждаемый фотоприемник позволяет обнаружить противника ночью, в тумане или за дымовой завесой на расстоянии десятков километров.
• Наука — астрономы используют ФПУ для изучения далеких галактик, планет и туманностей. Холодные детекторы помогают улавливать слабейшее излучение из космоса.
• Космическая техника — спутники дистанционного зондирования Земли следят за пожарами, вулканами, состоянием посевов. Без охлаждаемых ФПУ такая работа была бы невозможна.
• Промышленность — контроль высокотемпературных процессов, поиск утечек газа, диагностика линий электропередач. Охлаждаемые детекторы позволяют измерять температуру с высокой точностью.
• Медицина — некоторые методы диагностики (например, раннее выявление воспалений) тоже используют охлаждаемые тепловизоры, хотя чаще в больницах применяют более простые модели.

Заключение

Фотоприемное устройство — это ключевой элемент любой инфракрасной техники. А охлаждаемые ФПУ с микрокриогенной системой — вершина развития этих приборов. Благодаря глубокому охлаждению, специальным полупроводниковым материалам и высокой плотности пикселей они способны видеть мир тепловых лучей так же четко, как мы видим обычный свет. Именно такие устройства стоят на страже нашей безопасности, помогают ученым заглянуть в глубины Вселенной и следят за сложными технологическими процессами на Земле.

Если вам нужна максимальная чувствительность и дальность — выбор очевиден: охлаждаемое фотоприемное устройство.

Заказать фотоприемные устройства с доставкой по России и странам СНГ можно в компании Дисплей Электроникс.