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.

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.

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

• Разработка в США воздушно-космических беспилотных летательных аппаратов (2018)