иммерсионный фотоприемник ик диапазона

Формула изобретения

1. Иммерсионный фотоприемник ИК диапазона, содержащий чувствительный элемент на основе твердых растворов Cd_xHg_1-x Te и полусферическую иммерсионную линзу, плоской поверхностью находящуюся с ним в оптическом контакте, отличающийся тем, что фотоприемник дополнительно содержит охлаждаемую диафрагму, установленную центрированно на его оптической оси со стороны сферической поверхности иммерсионной линзы в положении x₁/R₁ 0, где R₁ радиус иммерсионной линзы, x₁ расстояние, отсчитываемое от вершины сферической поверхности иммерсионной линзы до диафрагмы.

2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что охлаждаемая диафрагма выполнена в виде непрозрачной пленки, нанесенной на сферическую поверхность иммерсионной линзы в положении x₁/R₁ 1 cos (/2), где апертурный угол фотоприемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фотоприемникам ИК диапазона и может быть использовано при конструировании и изготовлении приборов ИК техники спектральных диапазонов 3 5 и 8 14 мкм.

Известен линзовый фотоприемник [1, 2] содержащий две области из одного и того же полупроводникового материала (например, Cd_0,28Hg_0,74Te), разделенных плоской границей. Первая область представляет собой выпукло-плоскую линзу и служит для фокусирования ИК излучения на границу раздела и вторую область. Прозрачность первой области обеспечивается эффектом Бурштейна-Мосса при сильном легировании n⁺-типа. Вторая область имеет p-тип проводимости, так что на границе раздела возникает p-n⁺-переход. Для подавления туннелирования через границу раздела между линзой и p-областью фотоприемника формируют тонкий слаболегированный n-слой из того же материала.

Изображение, создаваемое таким фотоприемником, имеет низкую контрастность из-за "размытия" функции рассеяния интенсивности излучения в плоскости изображения, вызванного большой сферической и сферохроматической аберрациями, свойственными фотоприемникам на Cd_xHg_1-xTe составов х 0,195 - 0,27, обусловленными большой дисперсией показателя преломления у твердых растворов Cd_xHg_1-xTe.

Для достижения технического результата, заключающегося в улучшении контрастности изображения, в фотоприемник ИК диапазона, содержащий чувствительный элемент на основе твердых растворов Cd_xHg_1-xTe и полусферическую иммерсионную линзу, плоской поверхностью находящуюся с ним в оптическом контакте, введена охлаждаемая диафрагма, установленная центрированно на его оптической оси со стороны сферической поверхности иммерсионной линзы в положении x₁/R₁ 0, где R₁ - радиус иммерсионной линзы; x₁ расстояние, отсчитываемое от вершины сферической поверхности иммерсионной линзы до диафрагмы.

Введение в конструкцию иммерсионного фотоприемника диафрагмы, установленной центрированно на его оптической оси, в положении указанном выше относительно вершины иммерсионной линзы, приведет к устранению влияния абберационных эффектов на функцию рассеяния и формированию изображения, контраст которого ограничен только дифракцией на диафрагме.

Доказательство установки диафрагмы в положении указанном в формуле, дано ниже на основании теории аберрационных и дифракционных эффектов геометрической и волновой оптики.

На фиг. 1 представлена схема иммерсионного фотоприемника, состоящего из чувствительного элемента на основе твердого раствора Cd_xHg_1-xTe 1 с иммерсионной линзой 2, например, из германия или Cd_xHg_1-xTe, прозрачной в рабочем спектральном диапазоне элемента 1, и диафрагмы 3, установленной центрированно на оптической оси иммерсионной линзы со стороны ее сферической поверхности в положении x₁/R₁ 0.

На фиг. 2 для приемника Ge/Cd_0,2Hg_0,8Te с апертурными углами 45^o (сплошные кривые) и 60^o (штриховые кривые) показаны зависимости поперечных сферических аббераций и сферохроматической от приведенного положения x₁/R₁ диафрагмы относительно вершины иммерсионной линзы. Зависимости рассчитаны для фотоприемника с граничной длиной волны l_со 12,0 мкм (состав х 0,2), диапазон чувствительности 6 12 мкм. Для Cd_0,2Hg_0,8Te показатель преломления n₃ (6 мкм) 5,2013 и n₃ (12 мкм) 3,5925 [1] для Ge n₂ (6 мкм) 4,1157 и n₂ (12 мкм) 4,1061. Кривые 1, 1" относятся к поперечной сферической аберрации на l₁ 6 мкм, кривые 2, 2" на ₂ 12 мкм, кривые 3, 3" это зависимости для сферохроматической аберрации.

На фиг. 3 показаны для фотоприемника Ge/Cd_0,2Hg_0,8Te c апертурным углом 60^o зависимости функции рассеяния интенсивности излучения S(r)/S_o от приведенной координаты в плоскости изображения b_or = (2/)(a/L)r, где а радиус выходного зрачка; L расстояние от плоскости выходного зрачка до плоскости изображения; r полярная координата в плоскости изображения. Дана также шкала _or = (2/)(a/R₁)r. Кривая 1 относится к положению диафрагмы x₁/R₁= 1-cos(/2), когда она находится непосредственно в контакте с выпуклой поверхностью иммерсионной линзы (позиция 3 на фиг. 1). Кривая 2 рассчитана для x₁/R₁ -0,1 (позиция 4 на фиг. 1). Кривая 3 приведена для фотоприемника со сферохроматической аберрацией при положении диафрагмы x₁/R₁ -0,4 (позиция 5 на фиг. 1). Кривые 4 и 5 дают представление о функции рассеяния при сферических аберрациях на ₁ 6 мкм и ₂ 12 мкм соответственно. Кривая 6 рассчитана для фотоприемника с x₁/R₁ 0,4 и условия, что аберрации равны нулю.

На фиг. 4 показаны зависимости функции рассеяния для фотоприемника Cd_0,27Hg_0,73Te/Cd_0,2Hg_0,8Тe с апертурным углом 60^o, т.е. с иммерсионной линзой из Cd_0,27Hg_0,73Te, прозрачной в спектральном диапазоне l 5 мкм. Кривая 1 относится к положению диафрагмы x₁/R₁= 1-cos(/2). Кривые 2 4 к функциям S(r)/S_o приемника со сферическими аберрациями на ₁, и ₂ и сферохроматической соответственно, при положении диафрагмы x₁/R₁ -0,4. Кривая 5 рассчитана для приемника с x₁/R₁ -0,4 и условия, что аберрации равны нулю.

Из анализа зависимостей фиг. 2 3 следует, что у иммерсионных фотоприемников на Сd_xH_1-xTe спектрального диапазона 6 12 мкм с иммерсионной линзой из Ge при положении диафрагмы в позиции x₁R₁= 1-cos(/2) "кружок" рассеяния ограничен дифракцией на диафрагме и имеет минимальную величину. Сдвиг диафрагмы в область отрицательных значений x₁/R₁ приводит к увеличению кружка рассеяния сначала за счет дифракции на диафрагме, а затем с ростом аберраций при x₁/R₁ -0,4 для 60^o, размер фигуры рассеяния резко увеличивается из-за вклада аберраций (ср. кривые 3 и 6 на фиг. 3). Причем у фотоприемников с иммерсионной линзой из Cd_0,27Hg_0,73Te (фиг. 4) при одних и тех же углах q и x₁/R₁ аберрации в два раза меньше, чем у фотоприемников с иммерсионной линзой из Ge. Это является причиной того, что у таких фотоприемников аберрации начинают играть роль в формировании изображения при больших сдвигах по оси x₁/R₁.

У иммерсионных фотоприемников на Cd_xHg_1-xTe спектрального диапазона 3 6 мкм (состав х 0,27) с иммерсионной линзой из Ge зависимости S(r)/S_o аналогичны зависимостям для фотоприемников диапазона 6 12 мкм, но у приемников диапазона 3 6 мкм при одних и тех же условиях, q и x₁/R₁, влияние аберраций на функцию рассеяния сильнее, т. е. они начинают играть роль при меньших сдвигах диафрагмы по оси x₁/R₁ от вершины иммерсионной линзы.

Если использовать иммерсионные линзы с показателем преломления n₂ значительно больше показателя преломления n₃, например, из теллурида свинца, для фотоприемников на CdHgTe для диапазона 6 12 мкм, то у таких фотоприемников при положении диафрагмы x₁/R₁ x₁/R₁= 1-cos(/2) становится сравнимой со сферохроматической аберрацией поперечная хроматическая аберрация. Однако при сдвиге диафрагмы в область отрицательных значений x₁/R₁ сферохроматическая аберрация увеличивается быстрее и при положениях диафрагмы, когда аберрации начинают оказывать заметное влияние на размер фигуры рассеяния, поперечной хроматической аберрацией можно пренебречь. Аналогичные результаты получаются и при условии, когда показатели преломления n₂ и n₃ по величине близки друг к другу, например, по всему спектральному диапазону чувствительности фотоприемника, т. е. при всех соотношениях по n₂ и n₃ и для всех апертурных углов при положениях диафрагмы x₁/R₁ 0 размер фигуры рассеяния определяется дифракцией на диафрагме и имеет минимальную величину. Причем положение x₁R₁= 1-cos(/2) можно считать универсальным.

Пример. Фотоприемник ИК диапазона на основе твердого раствора Cd_xHg_1-xTe с иммерсионной линзой может быть изготовлен с чувствительным элементом в виде фоторезистора стандартной технологией или фотодиода, методом, например, ионной имплантации. Иммерсионные линзы из Ge больших размеров, например, R₁ 600 1200 мкм, изготавливают механическими способами, а малых размеров R₁ 50 150 мкм химико-механически, либо используют технологию плазменного травления. Для просветления линз обычно используют пленку ZnS. Иммерсионный фотоприемник на Cd_xHg_1-xTe с иммерсионной линзой из этого же твердого раствора, прозрачной в диапазоне чувствительности фотоприемника, удобнее выполнить в виде фотодиода, p-n-переход которого, сформированный, например, методом ионной имплантации, располагается либо на границе с иммерсионной линзой, либо в эпитаксиальном слое. В первом случае иммерсионная линза прозрачна за счет эффекта Бурштейна-Мосса, во втором за счет изменения состава х. Диафрагмы малых размеров, обычно круглой или квадратной формы соответственно форме площадки чувствительного элемента, изготавливают, например, электроискровым способом или фотолитографическим фрезерованием и устанавливают центрированно на оптической оси иммерсионной линзы в положениях, указанных в формуле. Так как фотоприемники на CdHgTe эксплуатируются при температуре жидкого азота, то для охлаждения диафрагмы в ее конструкции предусмотрены обычные тепловые мосты для контакта с баллоном, в котором находится хладагент. Диафрагма в положении x₁/R₁= 1-cos(/2) в виде непрозрачной пленки может быть нанесена на сферическую поверхность, например, напылением металлической пленки, диэлектрической, или в виде интерференционного покрытия.

Таким образом, предлагаемый фотоприемник на Cd_xHg_1-xTe с иммерсионной линзой и диафрагмой по сравнению с прототипом позволяет устранить путем установки диафрагмы в соответствующее положение влияние аберраций на функцию рассеяния, получить минимальный размер фигуры рассеяния, ограниченный дифракцией на диафрагме, и тем самым улучшить контрастность изображения.