многоканальное охлаждаемое фотоприемное устройство

Формула изобретения

1. Охлаждаемое фотоприемное устройство, включающее в себя фотоприемник, блок предварительного усиления, блок питания, микрокриогенную систему охлаждения, которая содержит охладитель, выполненный с возможностью размещения в упомянутом фотоприемнике, и газовую криогенную машину, при этом фотоприемник содержит многоэлементный фоторезистор с фоточувствительными элементами, держатель, выполненный с возможностью охлаждения указанного многоэлементного фоторезистора, баллон с, по меньшей мере, одним окном, прозрачным для инфракрасного излучения, причем многоэлементный фоторезистор размещен в герметичной газонаполненной полости фотоприемника, отличающееся тем, что фотоприемник включает в себя обойму баллона, выполненную из материала с коэффициентом температурного расширения, по меньшей мере, близким коэффициенту температурного расширения материала баллона, и цоколь, которые вместе с упомянутыми держателем и баллоном образуют герметичную газонаполненную полость прибора, причем цоколь установлен на фланце держателя и соединен с обоймой баллона с помощью кольца, выполненного из материала с коэффициентом температурного расширения, по меньшей мере, близким коэффициенту температурного расширения материала обоймы баллона, трубопровод для подачи криоагента от упомянутой газовой криогенной машины к охладителю представляет собой, по меньшей мере, частично металлический трубопровод, причем между газовой криогенной машиной и охладителем в трубопроводе установлена гальваническая развязка для разделения цепей заземления микрокриогенной системы и фотоприемника, блок предварительного усиления состоит из многоканальных модулей предусилителей, при этом каждому фоточувствительному элементу соответствует, по меньшей мере, один канал блока предварительного усиления, а блок питания включает в себя источник питания фоторезистора и источник питания блока предварительного усиления, при этом источник питания фоторезистора подключен от источника питания предусилителей.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что многоэлементный фоторезистор содержит фоточувствительные элементы, размещенные на двух линейках, которые расположены на растре.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что многоэлементный фоторезистор содержит шестьдесят четыре фоточувствительных элемента, размещенных на линейках, по тридцать два элемента на каждой линейке.

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что растр с линейками фоточувствительных элементов установлен на охлаждаемой крышке держателя.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что крышка держателя снабжена керамической шайбой, на которой преимущественно радиально расположены токопроводящие дорожки для распайки выводов от фоточувствительных элементов и выводов шлейфового кабеля для прохода сигналов от фоточувствительных элементов.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что к керамической шайбе приклеена охлаждаемая диафрагма для обеспечения заданных размеров плоских углов зрения.

7. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что держатель включает в себя стеклянную трубу для размещения охладителя микрокриогенной системы и охлаждаемую крышку для размещения многоэлементного фоторезистора и шлейфовый кабель для прохода сигналов от фоточувствительных элементов.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что шлейфовый кабель снаружи покрыт пленочным проводником, соединенным с наружным контактом фотоприемника.

9. Устройство по одному из пп. 1-8, отличающееся тем, что баллон имеет цилиндрическую форму наружной поверхности и выполнен стеклянным с двойной стенкой, причем в торцевой части баллона, которая является задней по отношению к направлению распространения распознаваемого инфракрасного излучения, внешняя и внутренняя стенки переходят друг в друга, а в противоположной торцевой части баллона размещены первое и второе германиевые окна, установленные в торцевых отверстиях наружной и внутренней стенок баллона соответственно, а обойма баллона выполнена из ковара.

10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что цоколь включает в себя два керамических кольца, при этом на одной из сторон первого керамического кольца цоколя расположены токопроводящие дорожки для вывода электрических сигналов, передаваемых через кабель держателя на наружные контакты фотоприемника, а второе керамическое кольцо соединено с кольцом, на котором закреплена обойма баллона, причем это кольцо выполнено из ковара.

11. Устройство по одному из пп. 7-10, отличающееся тем, что фотоприемник включает в себя цилиндрический корпус для защиты стеклянного баллона от механических повреждений, причем цилиндрический корпус снабжен пазами для выхода наружных контактов фотоприемника.

12. Устройство по одному из пп. 1-11, отличающееся тем, что микрокриогенная система охлаждения включает в себя газовую криогенную машину с компрессором, охладитель с радиатором и электронный блок управления.

13. Устройство по одному из пп. 1-12, отличающееся тем, что охладитель выполнен с возможностью установки в полости стеклянной трубы держателя фотоприемника.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что корпус охладителя газовой криогенной машины с радиатором закреплены на основании фотоприемника с помощью направляющей втулки, а компрессор микрокриогенной системы и электронный блок управления выполнены с возможностью установки на корпусе сопрягаемого устройства.

15. Устройство по одному из пп. 1-14, отличающееся тем, что трубопровод для подачи криоагента от упомянутой газовой криогенной машины к охладителю связывает компрессор газовой криогенной машины с упомянутым охладителем и зафиксирован на основании фотоприемного устройства для защиты от механических перемещений в процессе работы.

16. Устройство по одному из пп. 1-15, отличающееся тем, что блок предварительного усиления содержит 8-канальные модули, состоящие из предусилителей, расположенных на печатной плате соответствующего модуля, 8-канальные модули, попарно объединенные в 16-канальные модули.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что блок предварительного усиления содержит восемь 8-канальных модуля предусилителей, объединенных в четыре 16-канальных модуля.

18. Устройство по одному из пп. 1-17, отличающееся тем, что ток смещения на каждый фоточувствительный элемент поступает от малошумящего источника питания фоторезистора через соответствующее нагрузочное сопротивление.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что нагрузочные сопротивления установлены на печатных платах 16-канальных модулей, по шестнадцать нагрузочных сопротивлений на каждой плате.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым фотоприемным устройствам и может быть использовано в тепловизионных системах, устанавливаемых на стационарных или подвижных объектах.

Известны конструкции охлаждаемых фотоприемных устройств, предназначенных для использования в тепловизионных системах и включающих в себя герметичный корпус, фоточувствительный элемент (фоторезистор), размещенный внутри герметичного корпуса на торцевой крышке охлаждающей трубы системы охлаждения, токопроводящие дорожки, систему внешних выводов, систему охлаждения, в частности микрокриогенную систему типа Split-Stirling (см. патенты US 4995236 A, February 26, 1991, 250/352 "Cryostatic device for a radiation detector", US 5561296 A, October 1, 1996, 250/352 "Infrared detector having multiple element type infrared sensor and wiring pattern for signal fetching", US 5179283 A, January 12, 1993, 250/352 "Infrared detector focal plane", US 4918308 A, April 17, 1990, 250/352 "Integrated detector dewar cryoengine", US 4719353 A, January 12, 1988, 250/352 "Integrated infrared detector and cryoengine assembly", DE 2247845 C2, 14.04.83, H 01 L 31/02 "Detektor r infrarotstrahlung", RU 2148875 C1, 2000.05.10, H 01 L 31/024 "Приемник ИК излучения", заявках GB 2115602 А, 07.09.83, G 01 J 5/02 "Getters in infrared radiation detectors", DE 4208526 Al, 03.09.98, H 01 L 31/203 "Gege elektromagnetische Impulse geschtztes optisches Detektionssystem", FR 2754637 Al, 17.04.98, H 01 L 23/60 "System de detection optique protege centre les impulsions electromagnetiques" и др.).

Кроме того, известны аналогичные охлаждаемые фотоприемные устройства, система охлаждения которых основана на использовании эффекта Джоуля-Томпсона, раскрытые, в частности, в патентах US 4974062 A, November 27, 1990, 357/83 "Housing for opto-electronic components", US 4621279 A, November 4, 1986, 257/716 "Non-evacuated, rapidly coolable housing for an opto-electronic semiconductor component" и др.

Наиболее близким к заявленному изобретению является охлаждаемое фотоприемное устройство, включающее в себя фотоприемник и микрокриогенную систему охлаждения, которая содержит охладитель, выполненный с возможностью стыковки с упомянутым фотоприемником, и газовую криогенную машину. Фотоприемник содержит многоэлементный фоторезистор с фоточувствительными элементами, держатель, включающий в себя трубу для подачи охлаждающей среды к многоэлементному фоторезистору, герметичный газонаполненной баллон с германиевыми окнами, прозрачными для инфракрасного излучения, блок предварительного усиления и блок питания, причем многоэлементный фоторезистор размещен в герметичной полости баллона (см. US 4862002 A, August 29, 1989, 250/352 "Multiple channel readout circuit optimized for a cryogenically operated IR sensor head").

Описанное техническое решение принято за прототип.

Недостатками известных аналогов, в том числе прототипа, является высокий уровень помех, создаваемых микрокриогенной системой, высокий уровень шумов на выходе фотоприемника, также определяемый воздействием микрокриогенной системы, и недостаточная прочность герметичного корпуса, в котором размещается фотодетектор с теплоотводящей трубой, особенно при резких колебаниях температуры окружающей среды, что обусловлено сложными температурными условиями работы герметичного корпуса.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в стабилизации напряжения питания и снижении уровня шумов на выходе фотоприемника, снижении помех от работы микрокриогенной системы, а также исключении температурных напряжений в конструкции фотоприемного устройства. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения состоит в увеличении обнаружительной способности и помехоустойчивости фотоприемного устройства, повышении прочности конструкции в условиях резких колебаний температуры окружающей среды.

Конструкция охлаждаемого фотоприемного устройства, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем испрашиваемый правовой охраны, может быть охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Охлаждаемое фотоприемное устройство включает в себя фотоприемник, блок предварительного усиления, блок питания, микрокриогенную систему охлаждения, которая содержит охладитель, выполненный с возможностью размещения в упомянутом фотоприемнике, и газовую криогенную машину. Фотоприемник содержит многоэлементный фоторезистор с фоточувствительными элементами, держатель, выполненный с возможностью охлаждения указанного многоэлементного фоторезистора, баллон с, по меньшей мере, одним окном, прозрачным для инфракрасного излучения. Многоэлементный фоторезистор размещен в герметичной газонаполненной полости фотоприемника. При этом согласно изобретению фотоприемник включает в себя обойму баллона, выполненную из материала с коэффициентом температурного расширения, по меньшей мере, близким коэффициенту температурного расширения материала баллона, и цоколь, которые вместе с упомянутыми держателем и баллоном образуют герметичную газонаполненную полость прибора. Цоколь установлен на фланце держателя и соединен с обоймой баллона с помощью кольца, выполненного из материала с коэффициентом температурного расширения, по меньшей мере, близким коэффициенту температурного расширения материала обоймы баллона. Трубопровод для подачи криоагента от упомянутой газовой криогенной машины к охладителю представляет собой, по меньшей мере, частично металлический трубопровод, причем между газовой криогенной машиной и охладителем в трубопроводе установлена гальваническая развязка для разделения цепей заземления микрокриогенной системы и фотоприемника. Блок предварительного усиления состоит из многоканальных модулей предусилителей, при этом каждому фоточувствительному элементу соответствует, по меньшей мере, один канал блока предварительного усиления. Блок питания, включает в себя источник питания фоторезистора и источник питания блока предварительного усиления, при этом источник питания фоторезистора подключен от источника питания предусилителей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения многоэлементный фоторезистор может содержать фоточувствительные элементы, размещенные на двух линейках, которые могут быть расположены на растре.

При этом многоэлементный фоторезистор может содержать шестьдесят четыре фоточувствительных элемента, размещенных на линейках, по тридцать два элемента на каждой линейке.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения растр с линейками фоточувствительных элементов может быть установлен на охлаждаемой крышке держателя.

При этом крышка держателя может быть снабжена керамической шайбой, на которой преимущественно радиально расположены токопроводящие дорожки для распайки выводов от фоточувствительных элементов и выводов шлейфового кабеля для прохода сигналов от фоточувствительных элементов.

При этом к керамической шайбе может быть приклеена охлаждаемая диафрагма для обеспечения заданных размеров плоских углов зрения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения держатель может включать в себя стеклянную трубу, предназначенную для размещения охладителя микрокриогенной системы и охлаждаемую крышку для размещения многоэлементного фоторезистора, а также шлейфовый кабель для прохода сигналов от фоточувствительных элементов.

При этом шлейфовый кабель снаружи может быть покрыт пленочным проводником, соединенным с наружным контактом фотоприемника.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения баллон может иметь цилиндрическую форму наружной поверхности и может быть выполнен стеклянным с двойной стенкой, причем в торцевой части баллона, которая является задней по отношению к направлению распространения распознаваемого инфракрасного излучения, внешняя и внутренняя стенки могут переходить друг в друга, а в противоположной торцевой части баллона могут быть размещены первое и второе германиевые окна, установленные в торцевых отверстиях наружной и внутренней стенок баллона соответственно, а обойма баллона может быть выполнена из ковара.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения цоколь может включать в себя два керамических кольца, при этом на одной из сторон первого керамического кольца цоколя могут быть расположены токопроводящие дорожки для вывода электрических сигналов, передаваемых через кабель держателя на наружные контакты фотоприемника, а второе керамическое кольцо может быть соединено с кольцом, на котором закреплена обойма баллона, причем это кольцо может быть выполнено из ковара.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник может включать в себя цилиндрический корпус для защиты стеклянного баллона от механических повреждений, причем цилиндрический корпус может быть снабжен пазами для выхода наружных контактов фотоприемника.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения микрокриогенная система охлаждения может включать в себя газовую криогенную машину с компрессором, охладитель с радиатором и электронный блок управления.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения охладитель может быть выполнен с возможностью установки в полости стеклянной трубы держателя фотоприемника.

При этом корпус охладителя газовой криогенной машины с радиатором могут быть закреплены на основании фотоприемника с помощью направляющей втулки, а компрессор микрокриогенной системы и электронный блок управления могут быть выполнены с возможностью установки на корпусе сопрягаемого устройства.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения трубопровод для подачи криоагента от упомянутой газовой криогенной машины к охладителю связывает компрессор газовой криогенной машины с упомянутым охладителем и может быть зафиксирован на основании фотоприемного устройства для защиты от механических перемещений в процессе работы.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения блок предварительного усиления может содержать 8-канальные модули, состоящие из предусилителей, расположенных на печатной плате соответствующего модуля, 8-канальные модули могут быть попарно объединены в 16-канальные модули.

При этом блок предварительного усиления может содержать восемь 8-канальных модулей предусилителей, объединенных в четыре 16-канальных модуля.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения ток смещения на каждый фоточувствительный элемент может поступать от малошумящего источника питания фоторезистора через соответствующее нагрузочное сопротивление.

При этом нагрузочные сопротивления могут быть установлены на печатных платах 16-канальных модулей, по шестнадцать нагрузочных сопротивлений на каждой плате.

Разделение цепей заземления позволяет существенно снизить уровень шумов на выходе фотоприемника и тем самым увеличить его обнаружительную способность. При этом источник питания фоторезистора подключен к источнику питания блока предварительного усиления, что обеспечивает дополнительную стабилизацию напряжения питания фоторезистора, кроме того, единая цепь питания и общего вывода позволяет снизить или даже исключить помехи от работы микрокриогенной системы и тем самым повысить помехоустойчивость всего изделия.

Обойма баллона и кольцо для установки обоймы на цоколе изготовлены из ковара для того, чтобы при резких изменениях температуры окружающей среды или, например, при сварке германиевых стекол с баллоном не возникало напряжений в материале баллона. Ковар имеет коэффициент температурного расширения такой же, как у стекла, из которого изготовлен баллон, поэтому конструкция стеклянного баллона не подвергается напряжению при изменении температуры и, соответственно, повышается прочность конструкции всего устройства.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации назначения изобретения может быть подтверждена описанием конструкции многоканального охлаждаемого фотоприемного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, сущность которой поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее:

Фиг. 1 - общая принципиальная схема многоканального фотоприемного устройства.

Фиг.2 - принципиальная схема фотоприемника.

Фиг.3 - электрическая схема одного из каналов фотоприемного устройства.

Многоканальное охлаждаемое фотоприемное устройство 1 предназначено для преобразования инфракрасного излучения длиной волны от 8 до 14 мкм (максимум спектральной чувствительности соответствует длине волны 10,5 + 0,5 мкм) в электрические сигналы с последующим их усилением по всем каналам. В состав устройства входят фотоприемник (ФП) 2 с многоэлементным фоторезистором (ФР) 4, блок питания ФП, блок предварительного усиления (БПУ) 5, который состоит из четырех 16-канальных модулей предусилителей 23 и токозадающих нагрузочных сопротивлений Rh, а также микрокриогенная система (МКС) 3 типа Split-Stirling, однако описанная ниже конструкция ФП позволяет также использовать охладители типа Joule-Thomson дроссельного типа.

МКС 3 состоит из охладителя 6, выполненного с возможностью стыковки с ФП 2, компрессора и электронного блока управления. Криоагент от компрессора по трубопроводу 7, представляющему собой металлическую трубку диаметром 3 мм, поступает к охладителю. В конструкцию трубопровода введена гальваническая развязка 8, обеспечивающая разделение цепей заземления МКС 3 и ФП 2. Трубопровод 7 зафиксирован на основании ФП с целью защиты от механических перемещений в процессе работы. Корпус охладителя 6 с радиатором, обеспечивающим теплоотвод, закреплен на основании ФП 2. Точность стыковки корпуса охладителя с ФП обеспечивается промежуточной направляющей втулкой. Собственно охладитель 6 входит во внутреннюю полость держателя 9 ФР и размещен в стеклянной трубе 10 держателя. Компрессор МКС и электронный блок управления МКС устанавливаются на корпус сопрягаемого устройства. Температура криостатирования составляет около 80 К.

ФР 4 представляет собой газонаполненный прибор и содержит шестьдесят четыре фоточувствительных элемента, расположенных на двух линейках, по тридцать два на каждой линейке, которые расположены на специальном растре 11. Концентрично расположенные и герметично соединенные между собой держатель 9, теплоизолирующий вакуумный баллон 12 и цоколь 13 образуют внутреннюю газонаполненную полость прибора, в которую помещен растр 11 с линейками фоточувствительных элементов. Растр с линейками элементов крепится на охлаждаемую крышку 14 держателя. Держатель состоит из упомянутой крышки 14, керамической шайбы 15, упомянутой стеклянной трубы 10 и фланца 16. На керамической шайбе 15 радиально расположены токопроводящие дорожки для распайки выводов от растра 11 с линейками элементов и выводов шлейфового кабеля 17, предназначенного для прохода сигналов от ФР 4. К керамической шайбе 15 приклеена охлаждаемая диафрагма 18, обеспечивающая заданные размеры плоских углов зрения. Длина трубы 10 держателя обеспечивает допустимые значения теплопритоков в охлаждаемую зону растра 11. На фланце 16 держателя установлен цоколь 19, состоящий из двух керамических колец 19а и 19b. На одной стороне керамического кольца 19b имеются токопроводящие дорожки, обеспечивающие выход электрического сигнала от элементов растра через шлейфовый кабель 17 на наружные контакты 24 фотоприемника, сигнал с которых поступает на блок предварительного усиления. Шлейфовый кабель снаружи покрыт пленочным проводником, соединенным с общим выводом ФП, что обеспечивает повышенную помехозащищенность ФП от электромагнитных наводок в процессе работы на объекте. Кольцо 19а соединено с коваровым кольцом 13, на котором закреплена обойма 20 баллона.

Теплоизолирующий вакуумный баллон 12 выполнен из стекла и предназначен для уменьшения притока тепла в охлаждаемую газонаполненную полость ФП с размещенным в ней растром 11 и устранения запотевания германиевых окон 21а и 21b. Баллон снабжен обоймой 20, расположенной в задней части баллона концентрично ему и соединенной с цоколем посредством упомянутого коварового кольца 13. В баллоне 12 установлены два германиевых окна 21а и 21b, которые обеспечивают пропускание излучения заданного диапазона длин волн.

ФП 2 снабжен цилиндрическим корпусом 22, который служит для защиты баллона 12 от механических повреждений и имеет пазы для выхода наружных контактов держателя.

БПУ 5 выполнен на базе 8-канальных модулей предусилителей (МПУ-8к), конструктивно расположенных в стандартных 29-выводных корпусах 157.29-2 типа "Тандем". Результирующий коэффициент усиления каждого из каналов БПУ составляет 50010%. МПУ-8к располагаются на печатной плате, которые попарно объединены металлическим кронштейном и образуют 16-канальные модули (МПУ-16к) 23. Выходы усилителей МПУ-16к с помощью электромонтажных жгутов выведены на соответствующие внешние разъемы устройства (на фиг.1 не показаны). БПУ состоит из четырех МПУ-16к. Питание усилителей осуществляется от блока питания, расположенного в непосредственной близости от предусилителей и токозадающих нагрузочных сопротивлений Rh. Ток смещения на фоторезистор поступает от малошумящего источника питания фоторезистора, который входит в состав блока питания.

Блок питания состоит из источника питания (платы стабилизатора напряжения) предусилителей (ИП) и источника питания (платы стабилизатора напряжения) фоторезистора (ИФ). ИП обеспечивает требуемый режим работы усилителя каждого канала. При этом ИФ подключен от источника питания ИП, обеспечивая тем самым дополнительную стабилизацию напряжения питания фоторезистора (уровень сигнала на фоторезисторе составляет несколько нановольт).

Нагрузочные сопротивления Rh установлены на печатных платах (по 16 на каждой плате) в модуле МПУ-16к. С помощью подбора резисторов Rh осуществляется регулировка рабочего тока через каждый фоточувствительный элемент и тем самым обеспечивается возможность оптимальной регулировки обнаружительной способности и вольтовой чувствительности каждого канала ФП.

На фиг.3 использованы следующие обозначения:

ИФ - источник питания фоторезистора;

ИП - источник питания блока предварительных усилителей;

УПi - усилитель предварительный (i-го канала);

Rhi - сопротивление нагрузки i-го канала;

Rti - темновое сопротивление i-гo фоточувствительного элемента фоторезистора;

Uиф - выходное напряжение ИФ;

Uвxi - входное напряжение i-гo канала;

Uвыxi - выходное напряжение i-го канала ФПУ;

Iсмi - ток смещения i-гo фоточувствительного элемента.

Устройство работает следующим образом.

Поток инфракрасного излучения падает на i-й фоточувствительный элемент фоторезистора, имеющий темновое сопротивление Rti. Через каждый фоточувствительный элемент задается ток смещения, определяющий его рабочую точку на выходной характеристике Di=f(Icмi) и Sui=f(Iсмi). Величина тока смещения определяется выходным напряжением Uиф малошумящего источника питания фоторезистора ИФ и величиной i-го нагрузочного сопротивления, при этом выполняется условие Rhi>Rti. Изменение потока инфракрасного излучения, падающего на фоточувствительный элемент, приводит к изменению величины Rti и, следовательно, к изменению входного напряжения Uвxi на входе УПi. Переменная составляющая напряжения Uвxi, пропорциональная изменению потока инфракрасного излучения, усиливается усилителем переменного напряжения УПi и подается на соответствующий внешний разъем устройства.

Описанный пример реализации многоканального охлаждаемого фотоприемного устройства, выполненного в соответствии с заявленным изобретением, доказывает возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного выше технического результата, но при этом не исчерпывает всех возможностей осуществления изобретения, охарактеризованного совокупностью признаков, приведенной в формуле изобретения.