книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

1.5 МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ В ЖИЗНИ 61

ценовой категории содержат преобразователи изображений с общим числом пикселов ~3-j-4 миллиона.

Фотокамеры значительно требовательнее к числу элементов в фотоматри­ це. Разрешение сильно различается для различных типов фотоаппаратуры и применяемой фотопленки. Здесь примем это разрешение равным 504-150 линий/мм. Такое разрешение обеспечивает серийная оптика ведущих производи­ телей при использовании качественной фотопленки с чувствительностью по­ рядка 100 ISO. Поэтому понятно: чтобы составить конкуренцию самой рас­ пространенной фотопленке малого формата № 135 (36 х 24 мм2), фотоматрица должна иметь очень большое число пикселов:

36 24 (504-150)2 « (2,24-20) 106

Сегодня классики фотоаппаратуры — фирмы Canon, Nikon, а также Fuji вы­ пускают аппараты с 64-12 мегапикселами (формат матриц порядка 3000 х 2000, 4200 х 3000). А фирма Kodak предлагает аппарат с 22 мегапикселами!

Кто знаком с цифровой видеотехникой, знает, что есть разночтение в опре­ делении пиксела для дисплея и фотоматрицы. И дело здесь в цвете. Пиксел дисплея — это элемент геометрического разложения. Он содержит три-четыре цветовых точки (расположенных обычно треугольником или квадратом). Пик­ сел матрицы, как указывалось, это одна площадка, стало быть, обычно одна цветовая точка. Поэтому обычно считается, что число геометрических элемен­ тов разложения матрицы в полтора-два раза ниже числа их площадок-пикселов. Но меньше не в три-четыре раза, а в у/3 + 4= 1 ,54-2 раза. Потому что «цвет­ ные» пикселы также можно расположить не в линейку, а треугольником (квад­ ратом) и они участвуют в геометрическом разложении по двум осям — по вертикали и горизонтали.

Конечно, существуют проблемы роста: нужно уменьшать стоимость цифро­ вых камер и прежде всего твердотельных преобразователей (ведь это сверх­ большие интегральные микросхемы с большой фоточувствительной площадью и с 84-24 мегапикселами!), уменьшать расплывание изображения при сильных засветках, увеличивать скорости передачи кадра в микросхему хранения — Flash-память, снижать потребление. Важней задачей является также увели­ чение динамического диапазона, так как современные цифровые камеры ещё уступают по этому параметру пленочным.

1.5.2. Техническое зрение: системы дневного, ночного и теплового ви­ дения. В зависимости от источника, формирующего изображение — Солнце, Луна, звезды, собственное и отраженное тепловое излучение тел — различают системы дневного, ночного и теплового видения. Рассмотренные в предыдущем разделе видеокамеры — это фактически и есть технические системы дневного зрения. В различном конструктивном исполнении они находят широкое приме­ нение как средства наблюдения.

вакуумные ЭОП, в том числе состыкованные с высокочувствительными крем­ ниевыми ПЗС-матрицами. Но их монополию уже нарушили фотодиодные мат­ рицы на основе гетероструктур InGaAs/InP. И дело не только в известных преимуществах твердотельных приборов перед вакуумными. Как уже указы­ валось на «Страницах истории», спектр таких матриц лучше согласован со спектром излучения звездного неба в безоблачную и безлунную ночь, что поз­ воляет им регистрировать примерно в 50 раз больше фотонов, чем ЭОП с типо­ вым GaAs — фотокатодом. Отметим, что американские специалисты включили работы по матрицам для ночного видения в перечень важнейших работ по фотоэлектронике.

Особое значение во всех технически развитых странах придается развитию тепловидения. Тепловизоры превосходят приборы ночного видения по дально­ сти действия, менее критичны к погодным условиям. И если глаз может видеть либо в дневных либо в сумеречных условиях, то тепловизор дал человеку принципиально новую возможность видеть то, что не может видеть его глаз — тепловое излучение, видеть практически в полной темноте.

В первых поколениях тепловизоров применялись одноэлементные ИК-ФП (и соответствующие сканеры), в последующих — однорядные, затем многоряд­ ные линейки (сканирующие матрицы) И, наконец, были разработаны «смотря­ щие» матрицы, перекрывающие сразу всю площадь кадра. Увеличение числа элементов — это не только упрощение механического сканера вплоть до пол­ ного отказа от него при применении «смотрящих» матриц (в последнем случае говорят о замене механического сканирования электронным). Увеличение чис­ ла элементов — это еще и увеличение времени, в течение которого элемент матрицы «смотрит» на один элемент изображения, и, следовательно, имеет возможность принять большее число фотонов. В идеале в «смотрящей» матри­ це ее элемент «смотрит» максимально возможное время — все заданное время кадра. К сожалению, в оптимальном для тепловидения спектральном диапа­ зоне 8-г 14 мкм при высоком квантовом выходе фотоприемника идеал еще не достигнут: слишком велик фоновый ток, генерированный тепловым потоком, электрическая емкость ячейки переполняется, она не реализует предоставлен­ ную возможность — не может копить в течение всего времени кадра. По ука­ занной причине «смотрящие» матрицы не вытеснили сканирующих, в тепловизионных системах находят применение оба типа матриц. И увеличение времени накопления — одна из центральных задач разработчиков таких матриц.

Во второй половине 1990-х годов были разработаны тепловизоры телевизи­ онного формата с температурным разрешением до сотых долей градуса. Раз­ работка усовершенствованных (в том числе многоспектральных) матриц для тепловизоров и других систем технического зрения является одним из основ­ ных, если не основным направлением фотоэлектроники.

Следующий подраздел целиком посвящен одному из типов систем техниче­ ского зрения, «рассматривающих» Землю с летательных аппаратов.

1.5 МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОНИКИ В ЖИЗНИ 63

1.5.3. Дистанционное зондирование Земли. Эти системы родственны дру­ гим системам технического зрения по своей целевой функции — формировать сигналы изображения. Появление твердотельных преобразователей изображе­ ния полностью изменило технический облик рассматриваемых систем. Полет летательного аппарата — самолета, спутника — обеспечивает развертку в одном направлении, так что для зондирования можно применять не только смотря­ щие матрицы, но и сканирующие матрицы в режиме ВЗН (см. подраздел 1.3.1). Так, в восьмидесятых годах были разработаны космические системы дистанци­ онного зондирования Земли на основе кремниевых сканирующих ВЗН-матриц. Они имели 128 шагов накопления (128 линеек), а число элементов разложе­ ния в строке (число ячеек в линейке) составляло несколько тысяч. Впечатляет разрешающая способность подобного класса систем — порядка 0,8 ч-1,5 м: со спутника можно различить на земле человека!

Ведутся работы по повышению разрешения до десятой метра. Конечно,

Поэтому существуют и другие системы: за счет снижения разрешения получа­ ют полосы обзора 30 км, 100 км и даже 2000 км, так что со спутника можно сканировать едва ли не целый континент.

Масштабны применения систем дистанционного зондирования Земли: это исследование ее природных ресурсов и картография, метеорология и сельское хозяйство, выявление чрезвычайных ситуаций — пожаров, наводнений и техно­ генных катастроф. Использование фоточувствительных приборов в различных спектральных диапазонах позволяет проводить спектрозональные исследова­ ния. Так, диапазоны 0,44-0,7 мкм и 0,754-1,5 мкм используют для распознава­ ния сельскохозяйственных культур, в том числе прогноза урожая, выявления наркотиков. Последний диапазон используют также для обнаружения зале­ жей ряда минералов, загрязнений стоков и среды. В более длинноволновых ИК-диапазонах, вплоть до 14 мкм, получают информацию о горных породах, влажности почвы и уровне грунтовых вод. Можно выполнять радиометрию — определять, например, температуру моря. Применяются и так называемые лидары: это уже активные системы с лазерной подсветкой. По резонансному рас­ сеянию и поглощению можно идентифицировать вещества, а по флуоресценции определить пятна нефти на воде и суше.

Как видим, космонавтика перестала быть только средством политики. Те ученые, которые сомневались в полезности огромных вложений в нее, признали свою неправоту. Сегодня космонавтика отдает человеку свой долг. Сотрудничая с фотоэлектроникой, она не только зондирует Землю, но обеспечивает связь, навигацию, решает многие насущные задачи.

Дистанционный контроль подстилающей поверхности Земли с самолетов и вертолетов широко используется для геологических испытаний, экологического

мониторинга, инвентаризации сельскохозяйственных и лесных угодий, оценки биопродуктивности новых районов промысла, обнаружение лесных пожаров и утечек в тепловых, нефте- и газовых магистралях, поисково-спасательных ра­ бот, составления тепловых кадастров городских кварталов и многих других целей.

1.5.4. Лазерные системы. Возможности лазерного луча превзошли самые смелые предсказания фантастов. Для реализации этих возможностей от фото­ электроники потребовались фотоприемники, оптимизированные на длины волн появляющихся лазеров и светодиодов: 0,63; 0,69; 0,8 -г0,95; 1,06; 1,3 ч-1,55, а затем на более далекий ИК, и, напротив, на более короткий «голубой» и уль­ трафиолетовый диапазоны. Оптимизированные — это значит, что ФП должны иметь на заданной длине волны минимум потерь и обладать высоким быстро­ действием: ведь лазеры способны генерировать импульсы нано- и даже пикосекундной длительности (см. гл. 2).

Невозможно составить полную опись лазерных и светодиодных систем. Ге­ нераторы излучения «не гнушаются» работать в самой простой аппаратуре, построенной по принципу пересечения-отражения луча, в такой, как автома­ тические двери и водопроводные краны, системы охраны по периметру. При­ мер более сложных систем — лазерные дальномеры. Теоретически точность дальномера ограничена длиной волны электромагнитного излучения, поэтому переход от радиодиапазона (даже от самого короткого, миллиметрового) к оп­ тическому открывает возможность повышения точности до трех порядков. Уже разработаны геодезические лазерные дальномеры с точностью измерения по­ рядка нескольких миллиметров — сантиметра. В них используется непрерыв­ ное излучение, а расстояние (или время пролета фотонов до объекта и обратно) определяется по разности фаз начального и отраженного лучей. В дальномерах для военной техники непрерывное излучение недопустимо — противник запеленгует вашу позицию. Поэтому применяют однократный короткий импульс излучения, а расстояние определяют по сдвигу переднего фронт3 отраженного от цели оптического импульса относительно опорного. Получаемая точность 1-т- 5 м сопоставима с размерами цели.

Современную телерадиоаппаратуру (да и ряд других бытовых приборов) нельзя уже представить без дистанционного управления. Пульты дистанцион­ ного управления передают управляющие сигналы через лазерный или свето­ диодный луч с импульсно-кодовой модуляцией. Естественно, для приема э™х сигналов в аппаратуру встраиваются фотоприемники. Но самым масштабИым событием стало создание оптических систем передачи информации. Не о г о ­ лится без квантовых приборов и вычислительная техника.

Эти направления заслуживают специальных разделов.

1.5.5. Оптические линии передачи информации. Сначала о волокоНн°- оптических системах передачи информации (ВОСПИ) для дальней связи. ЗЛме"

ростных линий Интернет, для связи десятков миллионов компьютеров, которые уже сегодня насчитываются в мире.

В литературе приводятся показательные данные о влиянии ВОСПИ на тем­ пы развития связи. Телефонная связь почти за сто лет — примерно с 1890 по 1980 годы — позволила увеличить скорость передачи информации в сто ты­ сяч раз — с 1 бит/с до 105 бит/с. В качестве реперных точек здесь выбраны годы начала активного использования соответственно телефонной и оптиче­ ской связи. А за последующие 20 лет оптические линии позволили довести этот показатель, как мы уже видели, до 2 • 1012 бит/с. Всего за два десяти­ летия возрастание составило двадцать миллионов раз! Это не просто рост, а стремительное ускорение, взрыв!

Еще одна впечатляющая характеристика — длина линий. Сегодня все кон­ тиненты связаны подводными оптическими кабелями. Ежегодное производство световолокна в мире составляет порядка 100 миллионов километров — это око­ ло 2500 витков вокруг Земного шара.

Еще много усилий потребуется для внедрения ВОСПИ с В = 2000 Гбит/с, а ученые смотрят в следующие десятилетия нового века. Они прогнозируют возможность повысить пропускную способность линий еще в сотни раз! Такие фантастические прогнозы базируются на последних успехах в технологии квар­ цевого оптического волокна, позволивших получить широкое окно прозрачно­ сти: 1,2 ч-1,7 мкм. Ведь в промышленном волокне присутствуют гидроксильные группы с максимумом поглощения при Л « 1 ,4 мкм, так что окно пропускания распадается на два узких в окрестностях 1,3 мкм и 1,55 мкм (см. гл. 2). В широком окне 1,2 4-1,7 мкм можно будет расположить п = 2500 спектральных каналов, так что при Во~160 Гбит/с уже получим

В = Воп = 1,6 • 1011 2,5- 103 = 4 -1014.

Конечно, освоение ВОСПИ с В ~ 2000 Гбит/с и тем более создание ВОСПИ с В ~ 4 • 1014 Гбит/с потребует больших усилий от разработчиков всех компо­ нентов. Фотоэлектроника будет обязана поставлять для таких ВОСПИ уже не один модуль (как для линий с В = 2,4 Гбит/с), а несколько десятков, сотен и даже тысяч приемных модулей, причем совершенно иного класса — пикосекундной инерционности.

Наряду с ВОСПИ для дальней связи широко применяются и внутриобъ­ ектовые ВОСПИ (не в последнюю очередь благодаря помехозащищенности), а также беспроводные. С последних и начинались в 1970-х годах эксперименты по оптической связи: приемные и передающие модули устанавливались на высо­ ких зданиях. Но в силу очевидных причин — зависимости от погодных условий, рельефа местности — оптическое излучение стало передаваться по световолОкну. Беспроводным оптическим системам осталась сравнительно ограниченная ниша — это связь между космическими аппаратами, а также офисные сети, для которых разработан специальный стандарт. Излучение направляется в по­

толок, что обеспечивает связь между любыми точками помещения. И вновь мы можем видеть, что развитие часто идет по спирали. В последние годы бес­ проводные системы оптической связи переживают второе рождение. Для них теперь применяют специальный термин Free Space Optical, FSO. FSO стали ши­ роко использовать для интеграции в уже существующие волоконно-оптические магистрали, соединения корпоративных и домовых Internet-сетей в пределах двух километров. Это оказалось и технически и коммерчески значительно вы­ годнее, чем прокладка дополнительных волоконных сетей в сложных городских условиях.

1.5.6. Компьютеры. Пара — генератор и приемник излучения — применя­ ется в ряде блоков компьютера.

Привод для внешнего носителя информации — компакт диска, CD. Счи­ тывание с этих дисков осуществляется оптически, с помощью указанной пары. Основной параметр устройств памяти — их информационная емкость С. Оце­ ним приближенно, по порядку величины ее предельно достижимое значение. Отнесем площадь диска wD2/ 4 к площади одного бита ~А2. При диаметре активной площади диска D = 3,5 дюйма, длине волны лазера А « 0,8 мкм по­ лучим

Величина С выражена в известных единицах информации — в байтах (в «словах»), причем 1 байт = 8 бит.

Уже в 2000 году выпускались CD с емкостью 850 мегабайт, что близко к проведенной качественной оценке. Как видим, оптические методы позволя­ ют оперировать с весьма большим объемом памяти: на указанном CD можно записать текст домашней библиотеки объемом 1000 -=-1500 книг! А разработ­ чики стремятся увеличить емкость CD, уже переходят к «голубым» лазерам с более короткой длиной волны А и, стало быть, с более «мелким» битом ~А2. Полупроводниковые фотоприемники для этого диапазона изготавливают из широкозонных Аз-нитрид соединений.

Оптическая мышь. Механическая система определения перемещения (ша­ рик) заменена надежной и удобной оптической системой: поверхность стола подсвечивается, а фотоприемник, «хватаясь» за изображения ее шероховато­ стей и неоднородностей, фиксирует перемещение.

Инфракрасный порт. Это компьютерный термин для уже рассмотренной беспроводной оптической связи, в данном случае между системным блоком компьютера и его периферией. В последние годы появились удобные клавиату­ ры, мыши без электрических проводов. ИК-порт также удобен для беспровод­ ной связи ноутбука с принтером. Ноутбук можно расположить на любом рабо­ чем месте, а один принтер способен обслужить всех пользователей в офисе.

з*

в сердце компьютера, в его процессор. Регулярно появляются сообщения об экспериментах по обработке информации в оптической форме. Привлекается фундаментальная физика. Показательны поисковые работы по принципиально новым методам — например, по записи информаци в квантовых состояниях частиц, в том числе с помощью различных поляризаций фотона. Предполага­ ется выполнять и логические операции на квантовом уровне. Но разработка промышленного оптического процессора станет делом поколения молодых чи­ тателей этой книги.

А пока микроэлектроника прочно удерживает здесь свои позиции, непре­ рывно увеличивая производительность компьютера — число операций в секун­ ду — и, стало быть, тактовую частоту / т. Темп ежегодного приращения / т в 2000-2004 годах составил 15 4-40% и на «продвинутой» модели 2004 года Perscot фирмы Intel достигнуто значение / т = 3,8 ГГц. Правда, 40% относятся к первым двум годам, а 15% к двум последним, что объясняется близостью к пределу / т и 10 ГГц. Этот предел теоретики предсказывают для современной КМОП-технологии цифровых схем. При достижении / т « 10 ГГц возможности микроэлектроники будут исчерпаны, но только кремниевой. Поэтому активно ведется поиск новых материалов. Фирма IBM в 2001 году сообщила о разра­ ботке кремннй-германиевого транзистора с рабочей частотой / = 220 ГГц. Вот когда будут созданы процессоры с такой частотой, а она соответствует длине волны

С3 - xv,Ю10 см„т •- сv 1

А= —= ---------- тт--- :—~ 1,4 мм,

/ 2 , 2 ' Ю 11 с ' 1 ’

то тогда, действительно, возможности микроэлектроники будут полностью ис­ черпаны. По определению более высокие частоты (А < 1 мм) соответствуют уже оптическому, а не радиодиапазону.

А пока сверхпроизводительность достигается в суперкомпьютерах за счет кластеров, дословно скоплений, соединения сотен и даже тысячи Процессоров. В 2003 году сообщалось о разработке российско-белорусского сверДкомпьютера Скиф К-5 с производительностью полтриллиона операций в секунду. Лидер здесь — гигант Тега Crid американской фирмы Intel с производительностью 13 триллионов операций в секунду. Соединения осуществляются оптическими линиями со скоростью передачи 40 Гбит/с. Вновь ВОСПИ, вновь фотоприемные модули.

Интернет (Internet, net-сеть). Первые сети, снизывающие Компьютеры, были проложены в 1986 году в США. а в 1988 году в Европе И Канаде. За последующие годы паутина Интернет опутала весь мир, стирая границы меж­ ду странами. Интернет стал основным потребителем скоростнь(Д ВОСПИ и FSO. Можно говорить о слиянии компьютера и ВОСПИ и появлении единого средства информатики, символа XXI века.

Так что компьютер, изобретенный как вычислитель, постепенно захватил функции коммуникаций, став незаменимым инструментом современного ин­ формационного общества. Он осваивает все новые и новые профессии. Ком­ пьютер сегодня — это также офисная оргтехника, типографская верстка, раз­ личного рода тренажеры, индустрия кино и развлечений, автоматизация произ­ водства и измерений, проектирование — едва ли не все специальности учебных заведений. И всюду в компьютерах, как мы видели, работает фотоэлектроника.

1.5.7.Двойное назначение фотоэлектроники. Мы рассмотрели только некоторые самые масштабные системы и устройства, в которых применяют­ ся твердотельные фотоприемники. Попытка детального перечисления оптико­ электронных систем приведет к бесконечному списку. Раскрывая значимость фотоэлектроники в современном техническом обществе, будем идти теперь не от системы, а от сферы человеческой деятельности.

Фотоэлектроника, как и большинство отраслей, имеет двойное назначе­ ние — гражданское и военное. Это относится и ко всем приведенным выше системам. На примере дальномера уже рассматривалось двойное назначение лазерных систем. Не исключение и системы технического зрения. Видеокаме­ ра, спускаемая на парашюте над полем боя, передает информацию о ходе опе­ рации. Системы ночного и теплового видения позволяют изменить тактику и вести боевые операции в ночных условиях — этим успешно пользовались США

вЮгославии и Афганистане. Системы дистанционного зондирования Земли для военных становятся системами разведки и целеуказания. А на упоминание

вдальнейшем компьютеров вообще наложим табу: составление банков данных, обработка информации, расчеты, управление, автоматизация — все это общие функции и для гражданских, и для военных сфер. И неудивительно поэтому, что компьютер можно встретить в квартире, конторе, школе, лаборатории, на производстве и в воинских частях — практически всюду.

Рассмотрим подробнее гражданские и военные приложения фотоэлектроники.

1.5.8.Фотоэлектроника на гражданской службе.

Бытовая техника. Многие из нас даже не догадываются, что фотопри­

с пульта дистанционного управления (ПДУ). Такой пульт (и, следовательно, ФП) имеют также музыкальные центры, видеопроигрыватели, кондиционеры, некоторые игрушки. Можно вспомнить такой, скорее рекламный, казус: фирма Philips выпустила модель пылесоса с ПДУ!

Фотоприемники проникли в наш дом и в составе фотоаппаратов — «мыль­ ниц», видеокамер, не говоря уже о цифровой видео и фототехнике. Высокие технологии позволили создать миниатюрные фото- (и даже видео) камеры и встроить их в мобильные телефоны. Так что фотоприемники (матрицы) не про­

сто вошли в наш дом, они теперь весь день будут неотступно следовать за нами.

Придется нарушить наше табу на упоминание о персональных компьюте­ рах: ведь дисководы для оптического считывания информации с дисков есть не только в компьютерах, но и в музыкальных центрах, в видеоплеерах. Оптронная пара «лазер-фотодиод» дала возможность качественной цифровой записи звуковых и видеосигналов на DVD-дисках (высокая четкость, объемное зву­ чание). Электронной промышленности помогли выйти из спада производства домашние кинотеатры, в которых использовалось считывание видеосигналов с указанных DVD-дисков (спрос на обычные телевизоры к моменту появления такой видеоаппаратуры снижался из-за насыщенности ими рынка). А появле­ ние цифровых звуковых CD потребовало нового качества и от акустических колонок. Это еще примеры взаимного влияния различных областей техники.

Торговля. Выйдя на улицу, едва ли не каждый день мы делаем покуп­ ки. На глазах молодого поколения универмаги с многочисленными отделами и кассами заменили современные универсамы. На открытых прилавках типового универсама около четырех-пяти тысяч наименований товаров, а покупателей быстро обслуживают несколько кассиров: проходимость клиента на кассу (это профессиональный термин в торговле) выросла примерно в три раза. Это ста­ ло возможным благодаря новой торговой технике, в том числе оптическому считывателю товарного штрих-кода — сканеру на основе ПЗС-линейки. Ска­ нер способен считать порядка миллиарда наименований, образно говоря, всю номенклатуру товаров всего земного шара!

Транспорт. Едва ли не каждый день многие из нас спускаются в мет­ ро. Ежедневный поток пассажиров, например, в московском метро составляет 8-flO миллионов. С ним справляются турникеты, опять же пара излучатель — фотоприемник. Нашу безопасность охраняют видеокамеры. В Москве решено установить на каждой станции до 18 таких камер. А в парижском метро в 2003 году уже работали 3000 видеокамер. Изображения поступают в единый центр, что позволяет полиции быстро реагировать на нештатную ситуацию. «Всевидящее око» видеокамер на улице, транспорте, в магазине вызвало даже недовольство парижан — это нарушение прав свободы личности. Но полицей­ ские «за» видеокамеры: они позволяют раскрыть до 30% правонарушений.

От глаз пассажиров железных дорог остается скрытой «черновая» работа фотоприемников. Так, с их помощью контролируют перегрев букс с точностью до 1°С, износ рельсов.

Элитные легковые и «дальнобойные» грузовые автомобили оснащаются спе­ циальными системами технического зрения (в том числе тепловизнонными) для вождения ночью, для борьбы с ослеплением фарами встречных автомобилей, для заднего и бокового обзора. Значительно повышается безопасность манев­ рирования судов на реках, в портах и открытом море, в том числе в тумане, при установке на них тепловизионных средств наблюдения.