Главная Pentagonus Регистрация

Вход




Приветствую Вас Гость | RSS Среда, 07.12.2016, 23:15
Ключевые слова
Е. Хабаров

Ключевой партнёр
Академия военных наук РФ
Академия военных наук РФ

Категории каталога
Структура [133]
Боевые операции [55]
Личный состав, подготовка [90]
НИОКР [181]
Вооружение [211]
Техническое обеспечение [178]
Стратегия и тактика [120]
Форма, знаки различия, награды [6]
ТТХ [13]

Поиск


Наш опрос
The military tattoo
Всего ответов: 129
Статистика

Rambler's Top100

Онлайн всего: 9
Гостей: 9
Пользователей: 0

Top secret


Translate.Ru PROMT©
Главная » Статьи » ВВС (Военно-воздушные силы) » НИОКР

Перспективные технологии оптико-электронных средств контроля космического пространства США (2010)

Перспективные технологии оптико-электронных средств контроля космического пространства США

Капитан 2 ранга Е. Хабаров

Основными компонентами конструкций оптико-электронных систем (ОЭС). оказывающими наибольшее влияние на качество получаемой информации о космических объектах (КО), являются оптическая система (ОС), принимающая и преобразующая поток светового излучения, и приемник излучения (ПИ), осуществляющий преобразование пространственного, энергетического и временного распределения оптического сигнала в плоскости изображений в соответствующий электрический сигнал. Министерством обороны США, а также коммерческими производителями на контрактной основе ведутся НИОКР, направленные на совершенствование оптических компонентов и материалов ОЭС контроля космического пространства (ККП).

В последнее десятилетие в мире для изучения естественных и искусственных космических объектов (КО) особый интерес представляют телескопы с широким  полем зрения (ПЗ), характеризующиеся относительным отверстием 1:1. Существует ряд конструкций ОС, в которых с целью создания широкого ПЗ так или иначе снижается влияние основных геометрических аберраций на формирование изображения в фокальной плоскости. Как правило, в состав оптико-механического тракта помимо основных деталей вводятся различные корректирующие отражающие или преломляющие элементы, которые частично компенсируют аберрации, снижая при этом пропускание и увеличивая стоимость ОС в целом.

Одним из приоритетных направлений совершенствования ОС, позволяющим свести к минимуму количество оптических элементов, является использование в криволинейной фокальной поверхности неплоских фотоприемников (НФП). Применение НФП дает возможность скомпенсировать кривизну поля изображения, значительно снизить влияние других аберраций, а также улучшить яркость и четкость внеосевого изображения. Можно привести в пример человеческий глаз, как ОС, оснащенную простейшим однолинзо-вым объективом - хрусталиком, и НФП -сетчаткой, имеющей вогнутую к объективу околосферическую форму, исключающей ббльшую часть геометрических искажений изображения. До последнего времени данное направление совершенствования ОС сдерживалось в связи с трудностями создания твердотельных НФП на основе монолитных или гибких материалов, но последние достижения в области нано-технологий уже позволили американским специалистам создать опытные образцы подобных устройств.

Таблица 1 Сравнение свойств и параметров КМОП-фотоприёмников на современном уровне развития и в долгосрочной перспективе

Свойство 2010 год 2025 год
Технологический процесс КМОП КМОП
Сложность фотоприемника Высокая Высокая
Выходной сигнал пиксела Напряжение Напряжение / биты (цифровой)
Выходной сигнал фотоприемника Биты (цифровой) Биты (цифровой)
Фактор заполнения Умеренный Высокий
Несогласованность усилителей Умеренная Низкая
Системный шум От умеренного до высокого От низкого до умеренного
Сложность системы Низкая Низкая
Компоненты системы Интегральная микросхема Интегральная микросхема
Параметр    
Чувствительность Умеренная Высокая
Динамический диапазон Умеренный Высокий
Однородность фотоприемника От низкой до умеренной От низкой до умеренной
Скорость чтения Наивысшая Наивысшая
Получение неполного изображения Неограниченно Неограниченно
Устойчивость к локальным пересветкам (антиблюминг) Высокая Высокая
Управление и электропитание Простое, низкое напряжение Простое, низкое напряжение

Управлением перспективных разработок и исследований министерства обороны США - ДАРПА (DARPA - Defense Advanced Research Project Agency) ведутся НИОКР по программе ССТ (SST - Space Surveillance Telescope). Они направлены на создание прототипа быстродействующего панорамного телескопа с диаметром апертуры 3,5 м, относительным отверстием 1 : 1, широким полем зрения и криволинейной фокальной поверхностью.

В рамках этой программы особое внимание уделяется передовым решениям и перспективным материалам. В связи с этим в процессе создания прототипа ССТ используются оптические материалы последнего поколения, а также нанопокрытия с высокой отражательной способностью и низким уровнем потерь. Кроме того, широко применяются легковесные оптические элементы высокой пространственной жесткости прежде всего с целью уменьшения массы ОС и минимизации времени переброса ПЗ ССТ.

Одним из направлений НИОКР, которые ведутся в отделе микросистемных технологий (ОМТ) ДАРПА (МТО - DARPA Microsystems Technology Office), является разработка твердотельного НФП для ССТ. За основу предложенной в 2002 году конструкции взят НФП, созданный на базе ПЗС-технологии с обратной засветкой (выполнен на гибкой кремниевой подложке и изогнут в соответствии с требуемой формой фокальной поверхности). На базе данной концепции инженерами лаборатории им. Линкольна (ЛЛ) МТИ и корпорации "Рейтеон" разработан технологический процесс производства гибких фотоприемных материалов и НФП на их основе. По состоянию на начало 2010 года ЛЛ МТИ изготовлены рабочие прототипы НФП, демонстрирующие соответствие предварительным механическим, оптическим и электрическим требованиям).

С декабря 2006 года ДАРПА ведет НИОКР по программе HARDI (Hemispherical ARray Detectors for Imaging) с целью создания полусферического НФП для использования в ОЭС совместно с объективом типа "рыбий глаз Максвелла". Особенность подобных объективов состоит в отсутствии всех оптических аберраций, за исключением дисторсии и кривизны поля, которые исправляются полусферической формой чувствительной поверхности НФП К разрабатываемому НФП предъявляются следующие требования: спектральный диапазон 400-1900 нм, формат 1 млн пикселов, коэффициент заполнения 80 %, частота кадров не менее 60 Гц При этом исключается применение каких-либо подвесов, механических систем сканирования, сложных объективов, а также систем постобработки информации, компенсирующих аберрации. В рамках проект HARDI на конкурсной основе широко привлекаются коммерческие производители. В 2010 году запланирована демонстрация прототипа полусферического ПИ радиусом 2,5 см и форматом 16 тыс. пикселов, созданного на базе новых фоточувствительных материалов.

В современных ОЭC ККП США главными фотоприемниками являются твердотельные матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), относящиеся к пассивному типу приемников. С середины 90-х годов в связи с прогрессом в субмикронной фотолитографии значительное развитие получили приемники с активным пикселом APS (Active Pixel Sensor) на основе КМОП-технологии (CMOS - Complementary Metal-Oxide Semiconductor), которые примерно с 2008 года составляют конкуренцию П3C во многих прикладных областях.

К числу недостатков ПЗС-фогоприемников относятся: непосредственно кадровый перенос; низкая степень интеграции; элек-тропитание различными напряжениями; специфическое производство при очень жестких требованиях к однородности исходного кремния и степени совершенства технологического процесса. Развитие П3( -фотоприемников направлено прежде всего в сторону увеличения формата, размеров матриц и степени интеграции, повышения тактовой частоты считывания информации и уменьшения энергопотребления.

В зарубежных СМИ отмечается, что современное состояние технологий ПЗС-фотоприемников достигло такого уровня, что каких-либо существенных изменений базовых свойств и параметров этих средств в долгосрочной перспективе не предвидится. При этом возможно их улучшение за счет использования главным образом перспективных фоточувствительных материалов.

Приемники с активным пикселом, в частности на основе КМОП-технологии, более перспективные, чем ПЗС, из-за наличия прежде всего возможности обработки информации еще в процессе фотопреобразования, что нельзя сделать с помощью приемников пассивного типа. Наличие у каждого пиксела своего собственного усилителя является существенным отличием от ПЗС-приемников, которые не обладают такой возможностью интеграции. В КМОП-матрицах схемы управления могут реализовывать произвольную координатную выборку cигналов, что значительно расширяет возможности фильтрации и обработки (в том числе параллельной) сигналов изображения. Поэтому скорость чтения значительно выше, чем у ПЗС-матриц, где необходимо считывать весь кадр, и дости-гает для отдельных экземпляров КМОП-фотоприемников значении порядка сотен кадров в секунду.

Кроме того, к числу достоинств фотоприемников на основе КМОП-технологии относятся: единый технологический процесс производства всех элементов и блоков устройства и. как следствие, более дешевое производство по сравнению с ПЗС-технологией; минимальное количество внешних управляющих сигналов; реализация электронного затвора; низкое простое электропитание.

Основными направлениями развития КМОП-фотоприемников с активным пикселом являются: повышение чувствительности и увеличение динамического диапазона что связано в основном с увеличением фактора заполнения и размера ФД; интеграция выходного усилителя и АЦП в пределах 1 пиксела, что позволит значительно уменьшить структурный шум; совершенствование технологического процесса производства с целью увеличения плотности интеграции и снижения теплового шума.

В феврале 2009 года МТИ был представлен прототип КМОП-фотоприемника формата 1024х1024 пикселов, выполненного по 0,35-мкм проектной норме на основе межслойных кремниевых переходов TSV (Through-Silicon Vias) в рамках объемной пакетной архитектуры (3D Stacking).

Кристалл высотой 0,5 мм состоит из семи слоев, причем два внешних представляют собственно фоточувствительную матрицу. Первый слой включает фотодиоды размером порядка 50 мкм с фактором заполнения пикселов около 100 % Второй слой обеспечивает коммутацию сенсора с остальными, где размещены несколько АЦП, кодировщики адресов и данных, параллельный интерфейс и две 12-битовые шины с пропускной способностью 512 Мбит/с. Переход на технологию межслойных переходов является дальнейшим развитием КМОП-фотоприемников, что даст возможность значительно увеличить чувствительность и на несколько порядков сократить энергопотребление.

Снижение структурного шума путем обработки и оцифровки сигнала в каждом пикселе позволит получить более оптимальное соотношение сигнал/шум, малую потребляемую мощность и возможность обработки изображения в процессе его получения. Однако такой эффект может быть достигнут только за счет увеличения числа транзисторов в пикселе. По оценкам зарубежных специалистов, практическая реализация подобных устройств в перспективе вероятна при условии уменьшения проектной нормы до 0,05 мкм, при этом число 1ранзисторов в пикселе может достичь 256 единиц.

В таблице 1 отражена качественная оценка свойств и параметров КМОП-фото-приемников. а также показано их изменение в результате развития в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

Анализ таблицы показывает, что в долгосрочной перспективе возможны существенные улучшения базовых свойств и параметров КМОП-фотоприемников, что позволяет предположить наличие потенциала совершенствования данной технологии. Можно отметить, что КМОП-фотоприемники имеют тенденцию к достижению значений системного шума, чувствительности и динамического диапазона, аналогичных показателям ПЗС-технологии, при этом достоинства решений на базе активного пиксела принципиально недостижимы для пассивных ПИ.

Активное развитие в последнее время получили технологии перспективных фоточувствительных материалов.

Одним из коммерчески привлекательных в США считается "черный кремний", полученный на базе лабораторий Гарвардского университета (г. Кембридж, штат Массачусетс). Этот материал образуется при воздействии на обычный кремний мощным лазерным излучением с длительностью несколько фемтосекунд в присутствии газообразного гексафтори-да серы, что приводит к высокому уровню легирования серой тонкого слоя верхушек конусообразных выступов, образующихся на поверхности материала. Для переброса электронов, возбуждаемых в таких слоях, в зону проводимости требуется значительно меньше энергии, чем обычно.

Вследствие этого "черный кремний" в сравнении с обычным кремнием становится значительно чувствительнее к видимому свету и способен поглощать свет в широком спектральном диапазоне (таблица 2).

В начале 2006 года при Гарвардском университете была образована фирма "СайОникс" (SiOnyx), имеющая исключительные права на технологию получения "черного кремния". В 2009 году технология изготовления "черного кремния" была усовершенствована с целью устранения сложностей в ходе производственного процесса при крупномасштабном выпуске, вызываемых конусообразными выступами на поверхности материала. Изменению подверглись параметры лазерного излучения, вследствие чего поверхность материала становится гладкой и приобретает розовый оттенок при сохранении новых свойств.

По мнению разработчиков, широкое использование нового фоточувствительного материала возможно в самое ближайшее время, так как технология производства "черного кремния" органично вписывается в существующий процесс изготовления обычного кремния и незначительно увеличивает стоимость конечного продукта.

Таким образам, анализ НИОКР, ведущихся в США с целью развития ОЭС ККП, показывает, что большое внимание уделяется улучшению их чувствительности, точностных характеристик и поисковых возможностей. При этом наибольшие усилия сосредоточены на совершенствовании характеристик компонентов ОЭС: на уменьшении массы оптических элементов, упрощении конструкций ОС, разработке НФП и совершенствовании конструкций и материалов ПИ.

Анализ работ по созданию ОЭС с криволинейной фокальной поверхностью и НФП для них показывает, что данное направление развития весьма перспективно. По мере совершенствования и удешевления технологий возможно создание на их основе ОЭС ККП с относительным отверстием 1:1, обеспечивающих значительно более широкие ПЗ в сравнении с существующими при сохранении точностных характеристик. В конструкциях ОЭС возможно использование НФП совместно с объективами типа "рыбий глаз Максвелла" для реализации сверхшироких ПЗ ( > 120°). Разработка и применение легких оптических материалов позволят облегчить массу оптических элементов конструкций.

Анализ развития приемников излучения пассивного и активного типов показывает, что в долгосрочный период ПЗС-матрицы будут основным типом ПИ, применяемым в ОЭС высокого разрешения и чувствительности, где не требуется высокая частота кадров. В то же время возможно достижение КМОП-фотоприемниками чувствительности и динамического диапазона до уровня современных ПЗС, что с учетом вышеуказанных преимуществ КМОП-технологии позволит одновременно использовать ПИ обеих технологий в ОЭС ККП США. Считается, что в случае применения ПИ на основе "черного кремния" может быть значительно расширен рабочий спектральный диапазон ОЭС, а также улучшены их чувствительность и пространственное разрешение.

Таблица 2 Характеристики современных и перспективных фоточувствительных материалов (по данным фирмы "Сайоникс")

Параметр Si (кремний) Black Silicon (черный кремний) Ge (германий)  InGaAs (индий" галлий-арсенид) InSb (сурьмя- нистый индий) HgCdTE (теллурид кадмия- ртути)
Относительная стоимость 1 1 102 104 106 106
Интеграция на уровне схем Высокая Высокая Средняя Низкая Низкая Низкая
Напряжение смещения, В 5-20 1-5 3 5-20 15-20 15-20
Спектральный диапазон, нм 400-1000 400-1550 800-1800 800-1700 1000-5300 1200-2500
Пиковое значение токовой чувствительности, А/Вт 0,6 100 0,6 0,95 3 3,6
Эквивалентная мощность шума (ЭМШ), Вт/Гц1/2 1х1014 5х10-15  4x1012 1x1014 5x1013 5x10-10
Скорость нарастания фронта импульса 10 нс 1 мкс 220 нс 5 нс 10 мкс 50 мкс

Зарубежное военное обозрение. 2010, №3, С.54-58

 

Категория: НИОКР | Добавил: pentagonus (07.09.2014) | Автор: Капитан 2 ранга Е. Хабаров

Просмотров: 1327 | Рейтинг: 5.0/1 |
Всего комментариев: 0

avatar


Copyright MyCorp © 2016

Рейтинг Военных Ресурсов