ღამის ხედვის ხელსაწყო

1.პროექტის ამოცანებისა და მიზნების შესახებ 2. გამოსხივების ინფრაწითელი დიაპაზონის თავისებერებების შესახებ 3. გამოსაყენებელი მასალების ანალიზი და შერჩევა (SiGe) 4.დეტექტორების ტიპების (ПЗС , КМОП) ანალიზი და შერჩევა 5.ინფრაწითელი დიაპაზონის ოპტიკური სისტემების ანალიზი და შერჩევა 6.ნანოსტრუქტურების ანალიზი და შერჩევა 7.წამკითხავი მოწყობილობის (ROIS) ტიპების და არქიტექტურის ანალიზი და შერჩევა 8. Flip-Chip ტექნოლოგიის შესახებ 9. სასიგნალო პროცესორების არქიტექტურების ანალიზი და შერჩევა 10.დეტექტორების გამოყენების სფეროების ანალიზი და შერჩევა ღამის

ხედვის ხელსაწყოები

თბომხედველი

ხელსაწყოები

11. ტექნოლოგიური მოწყობილობა -დანადგარები და საწარმოო ხაზები

1

1.პროექტის ამოცანებისა და მიზნების შესახებ

proeqtis mizani Kproeqtis mizania iw diapazonis fotomimRebis sacdeli nimuSis damzadeba Ramis xedvis mowyobilobisaTvis. aRniSnuli miznis misaRwevad saWiroa: •Si da SiGe safenebze epitaqsiuri heterostruqturebis miReba; •fotomimRebis konstruqciis (dizaini) damuSaveba; •fotomimRebis sacdeli nimuSis damzadeba da kvleva. miznis misaRwevad minimaluri danaxarjebiT gamoyenebuli iqneba arsebuli Tanamedrove teqnologiuri baza, wina samuSaoebis gamocdileba da Semsrulebeli organizaciebis “nouhau”

3

proeqtis ZiriTadi amocanebi • fosforiT legirebuli monokristaluri Si1-xGex (x≤0,01) nimuSebis miReba; • miRebuli kristalebisagan safenebis damzadeba da maTi zedapiris struqturisa da eleqtrofizikuri Tvisebebis maxasiaTeblebis Seswavla; • molekulur-sxivuri epitaqsiis meTodiT epitaqsiuri SiGe heterostruqturebis Seqmna; • masalis struqturuli, optikuri da eleqtrofizikuri Tvisebebis Seswavla; • matricis (an “savarcxeli-savarcxelze”) tipis Cipis konstruqciis damuSaveba; • damuSavebuli marSrutis safuZvelze fotomimRebis damzadebis teqnologiuri procesebis ganxorcieleba, maT Soris: -fotoliTografia, -metalebis da dieleqtrikebis dafena, -ionuri implantacia, -firebis qimiuri damuSaveba, -skraibireba da korpusireba.

• fotomimRebis eleqtruli da optikuri Tvisebebis gamokvleva, • misi efeqturobis dadgena talRis sxvadasxva sigrZeze iw diapazonSi; • marTvis eleqtronuli sqemis damuSaveba, • fotomimRebis sacdeli nimuSis gamocda .

mosalodneli Sedegebi damzadebuli iqneba infrawiTeli diapazonis fotomimRebis sacdeli nimuSi Semdegi ZiriTadi maxasiaTeblebiT: • speqtruli mgrZnobiarobis diapazoni- (1÷2) μm; • fotomgrZnobiare elementebis raodenoba- 1024

(32X32) cali;

• fotomgrZnobiare elementis farTobi-100X100 μm; • 1024 elementiani matricis zomebi-5.06X5.06 mm2; • elementebsSorisi biji-60±5 μm; • samuSao temperatura-25±50C; • maqsimaluri speqtruli mgrZnobiaroba-0,5÷0.7 A/W (optikuri signalis gamoZaxili); • fonuri denis simkvrive (Cabnelebisas)-0.5-0.8 μA/ mm2.

2. გამოსხივების ინფრაწითელი დიაპაზონის თავისებერებების შესახებ

7

The Range of Infrared Light Infrared light lies just beyond the red portion of the visible spectrum ("below red“). Infrared wavelengths are about 0.7 to 350 microns. (a micron is one-millionth of one meter, or about 1/50th the width of a human hair).

SPECTRAL REGION

WAVELENGTH RANGE (microns)

TEMPERATURE RANGE (degrees Kelvin)

WHAT WE SEE Cooler red stars

Near-Infrared

0.7 – 5

740 – 5,200

Red giants Dust is transparent Planets, comets and asteroids

Mid-Infrared

5 – 40

93 – 740

Dust warmed by starlight Protoplanetary disks Emission from cold dust

Far-Infrared

40 – 350

11 – 93

Central regions of galaxies Very cold molecular clouds

9

10

მასალ ა PbSe InSb InAs PtSi HgCdTe HgZnTe InGaAs

დასახელება

დიაპაზონი

ტყვიის სელენიდი ინდიუმის ანტიმონიდი ინდიუმის არსენიდი პლატინიუმის სილიციდი

1,5-5,2 1-6,7 1-3,8 1-5

ტყვიისა და-კადმიუმის ტელურიდი

0,8-25

ვერცხლისწყლისა და ტყვიისა ტელურიდი ინდიუმისა და გალიუმის არსენიდი

0,7-2,6

PbS Ge Si

ტყვიის სულფიდი გერმანიუმი კრემნიუმი

1-3,2 0,8-1,7

SiGe

სილიციუმ-კრემნიუმი

0,4-1,6

SiGe-ტექნოლოგიის უპირატესობები 1.

მოთხოვნილების არსებობა მაღალი სიხშირის მქონე ნახევარგამტარული ხელსაწყოებში ( 30 ჰჰც-ზე მაღალი);

2.A3B5 ჯგუფის (განსაკუთრებით გალიუმის არსენიდი) მასალების კრემნიუმის ტექნოლოგიასთან თავსებადობის სირთულე; 3. ამოსავალი ფირების 1კვ. მეტრის ღირებულების სიმცირე: SiGe-0,01$, GaAs-2$, InP-10$ ; 4.კარგად არის დამუშავებული 200მმ-იანი იაფი კრემნიუმის ფირების წარმოება (ძვირად ღირებული 100 და 150 მმ -იანი GaAs_ის ფირებს მწარმოებლების რაოდენობა შეზღუდულია); 5. ვარგისი კრემნიუმის ხელსაწყოების გამოსავლიანობა ბევრად მაღალია, ვიდრე არსენიდ გალიუმის ხელსაწყოებისა; 6.კრემნიუმის ბაზაზე ხელსაწყოების დასამზადებლად, დამატებითი კაპიტალდაბანდებების გარეშე არსებული საწარმოო ბაზის გამოყენების შესაძლებლობა (ცნობილია, რომ, ყოველი ახალი თაობის ხელსაწყოების საწარმოებლად საჭიროა ასობითი მილიონი დოლარი); 7. გერმანიუმის დამატების ხარჯზე, კრემნიუმის აკრძალული ზონის სიგანის ცვლილებისა და საინტერესო ნახევარ გამტარული თვისებების მატარებელი, ახალი მასალის მისაღებად, მისი განაწილების წინასწარ განსაზღვრული პროფილის უზრუნველყოფის შესაზლებლობა ( შესწავლის სტადიაშია აგრეთვე SiC da SiGe); 8. კრემნიუმთან შედარებით ნაკლები აკრძალული ზონის სიგანის გამო, ბიპოლარული ტრანზისტორის ბაზის დამზადებისას SiGe-საგან, იზრდება ელექტრონების ინჟექცია ბაზაში და შესაბამისად გაძლიერების კოეფიციენტი; 9. SiGe-ხელსაწყოს ბაზის ლეგირების დონე უფრო მაღალია, ვიდრე ”წმინდა” კრემნიუმისა; 10.კრემნიუმში გერმანიუმის განაწილების პროფილის კონტროლის გზით შესაძლებელი ხდება SiGe-ტრანზისტორების სიხშირული მახასიათებლების მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება. (მაქსიმალური სიხშირე 65 ჰჰც); 11. SiGe-ტექნოლოგია ნახევარგამტარული სქემების არა მხოლოდ სწრაფქმედების ამაღლების საშუალებას იძლევა, არამედ მნიშვნელოვნად ამცირებს მოხმარებულ სიმძლავრეს; 12. SiGe-სქემებში ელემენტების განთავსების სიმკვრივე მნიშვნელოვნად უფრო მაღალია, ვიდრე A3B5 ჯგუფის უფრო ეგზოტიკურ მასალებში; 13. SiGe-ტექნოლოგიის დანერგვა საშვალებას იძლევა განვითარებული კრემნიუმის ტექნოლოგიისა და ჰეტეროსტრუქტურების ბაზაზე აგებული ბიპოლარული ტრანზისტორების უპირატესობების გაერთიანებისა, რომლეთა დამზადება უკანასკნელ პერიოდამდე ხდებოდა მხოლოდ A3B5 შენაერთების საფუძველზე.

12

13

14

15

17

18

19

23

24

25

3. გამოსაყენებელი მასალების ანალიზი და შერჩევა (SiGe)

26

4.დეტექტორების ტიპების CCD(ПЗС) და CMOS (КМОП) ანალიზი და შერჩევა

ПЗС-მატრიცის მუშაობის პრინციპი

35

36

37

CCD და CMOS დეტექტორების აგების ზოგადი კონცეფცია CCD Approach Photodiode

CMOS Approach Photodiode

Amplifier

+ Pixel Charge generation & charge integration

Array Readout Charge transfer from pixel to pixel

Charge generation, charge integration & charge-tovoltage conversion Multiplexing of pixel voltages: Successively connect amplifiers to common bus Various options possible:

Sensor Output

Output amplifier performs charge-to-voltage conversion

- no further circuitry (analog out) - add. amplifiers (analog output) - A/D conversion (digital output)

CCD და CMOS მატრიცებისათვის დამახასიათებელი ძირითადი მახასიათებლები -გარჩევადობა -ქვანტური ეფექტურობა -სიბნელის დენი -პიქსელის ზომა -გამოსახულების ზომა -მატრიცის გვერდებს შორის თანაფარდობა -წაკითხვის მაქსიმალური სიხშირე -პიქსელების წაკითხვის სიჩქარე -თანრიგიანობა -დინამიური დიაპაზონი -სიგნალი /ხმაური თანაფარდობა -მგრძნობიარობა -კვების ძაბვა -მოხმარებული ენერგია -კორპუსის ტიპი -სიგნალების დამუშავების მეთოდები

CCD და CMOS სენსორების შედარება

42

43

46

CMOS-ტექნოლოგიის უპირატესობები და ნაკლოვანებები 

უპირატესობები



1.წარმოების დაბალი ფასები



2.დაბალი ელექტრო მოხმარება (ТТЛ და ЭСЛ_ლოგიკა)



3. როგორც n-ტიპის, ასევე p-ტიპის ტრანზისტორების არსებობა



3.მაღალი სწრაფქმედება (500-მდე კადრი/წმ)



4.ტექნოლოგიის პერსპექტიულობა- ერთ კრისტალზე ყველა საჭირო სქემების (ანალოგურ-ციფრული მოწყობილობა, პროცესორი, მეხსიერება და სხვ.) განთავსების შესაძლებლობა



5.ინტეგრაციის მაღალი დონე



6.შერჩევითი წაკითხვის შესაძლებლობა



ნაკლოვანება



1.მაღალი ხმაურიანობა



2.პიქსელების შევსების დაბალი დონე



3. მაღაალი ხმაურიანობა



4.დაბალი დინამიური დიაპაზონი



5.პიქსელი დიდი ზომა



6. პიქსელების არაერთგვაროვნება



7. სქემის სირთულე

CCD(ПЗС)-ტექნოლოგიის უპირატესობები და ნაკლოვანებები 

უპირატესობები:



1. ხმაურიანობის დაბალი დონე



2.მაღალი ეფექტურობა



3. პიქსელების შევსების მაღალი კოეფიციენტი



4. მაღალი მგრძნობიარობა-მცირე და დინამიური ობიექტების გარჩევადობის მაღალი დონე



5.პიქსელები მცირე ზომები



6.მატრიცების დიდი ზომები



7. გამოსასვლელი სიგნალის ერთგვაროვნება



ნაკლოვანებები:



1. წარმოების მაღალი ფასები



2. მაღალი ენერგომოხმარება



3. ინფორმაციის წაკითხვის რთული პრინციპი, შესაბამისად რთული ტექნოლოგია



4.მაღალუი დინამიური დიაპაზონი

49

50

52

სისტემა კრისტალზე

Control & Timing Logic (opt.)

Vertical Scanner for Row Selection

General Architecture of CMOS-Based Image Sensors

Pixel Array

Bias Generation & DACs (optional)

A/D conversion (optional) Horizontal Scanner / Column Buffers

Analog Amplification

Digital Output

Analog Output

64

გამოსახულების CMOS დეტექტორის ინტეგრალური სქემის არქიტექტურა

66

5.ინფრაწითელი დიაპაზონის ოპტიკური სისტემების ანალიზი და შერჩევა

73

74

75

76

77

78

79

6.ნანოსტრუქტურების ანალიზი და შერჩევა

7.წამკითხავი მოწყობილობის (ROIS) ტიპების და არქიტექტურის ანალიზი და შერჩევა

87

88

8. Flip-Chip ტექნოლოგიის შესახებ

90

წამკითხავი სქემა

91

92

ჰიბრიდული მიკროსქემის სტრუქტურა

95

96

97

http://www.vision-systems.com/articles/print/volume-15/issue11/Features/color-camera-cubes.html

102

9. სასიგნალო პროცესორების არქიტექტურების ანალიზი და შერჩევა

Indigo Systems-ADSP 2181

106

107

108

109

110

111

112

113

114

წამკითხავი სქემის ტიპიური მახასიათებლები

115

116

10.დეტექტორების გამოყენების სფეროების ანალიზი და შერჩევა -ღამის ხედვის ხელსაწყოები -თბომხედველი ხელსაწყოები

fotomimRebis gamoyenebis sferoebi -temperaturis

distanciuri gazomva,

-siTburi procesebis kontroli da avtomatizacia, -aalebis aRmomCeni mowyobilobebi (gadamwodebi), -Ramis xedvis mowyobilobebi, -deda足miwis zedapiris zondirebis -saaviacio da kosmosuri aparatura, -roboto足teqnika, -speqtrometria, -garemos monitoringi, -gamonabolqvi gazebis kont足roli, -telesakomunikacio sistemebi, -optikuri kavSirgabmuloba, -lazeruli teqnika, Optikur-boWkovani sakabelo sistemebi,

მახასიათებლები -შემჩნევადობის კოეფიციენტი -სიგნალი-ხმაური ფარდობა -ზღვრული მგრძნობიარობა -ხმაურის ექვივალენტური შემჩნევადი ტემპერატურების სხვაობა და მათი დამოკიდებულება სივრცულ მახასიათებლებზე (ტემპერატურულ-სიხშირულ მახასიათებლებზე) -ხმაურის ექვივალენტური გარჩევადი ტემპერატურების სხვაობა და მათი დამოკიდებულება სივრცულ მახასიათებლებზე (ტემპერატურულ-სიხშირულ მახასიათებლებზე) -მისაღები ან დასარეგისტრირებელი სიგნალების დინამიკური დიაპაზონი -სპექტრის მუშა დიაპაზონი -კადრების სიხშირე -კუთხური ველები (დათვალიერების და მყისიერი) -ვიდეო-კადრის ფორმატი -გარჩევადობის ელემენტების რაოდენობა -გარჩევადობის ერთგვაროვნება -მგრძნობიარობა კადრის მიხედვით

119

124

125

126

127

128

ღამის ხედვის ხელსაწყოები

129

130

131

ღამის ბუნებრივი განათება ლაზერით მინათება

ოპტიკური სისტემა

ანოდი ფოტო-მგრძნობიარე ელემენტების მატრიცა

ელექტრონულოპტიკური გამაძლიერებელი

ფოტომიმღები ხელსაწყო

ელექტრონული ტრაქტი

ფ რ ა წ ი თ ე ლ ი

ვიზუალიზაციის მოწყობილობა (დისპლეი, კომპიუტერი)

ნ

ი

დღის სინათლე

ოპტიკური ფილტრების სისტემა

ლინზების სისტემა

კათოდი

მიკროარხებიან ი ფირფიტა

მულტიპლექს ორი

განათების სახეობა

დიაპაზონი

ხელსაწყო

მგრძნობიარე ე ლემენტი

დღის შუქი

0,4-1,1

ფოტო კამერა

CCD

ღამის ბუნებრივი განათება

0,75-2

ღხხ

ЭОП

ლაზერით მინათება

1,6

ღხხ

ЭОП

ინფრაწითელი გამოსხივება

3-5

სმხ

თერმომხედველი ხელსაწყო

8-14

ეოპ

იწ-ობიექტივი

კათოდი

მიკროარხებიანი ფირფიტა

ანოდი

ნ/გ იწ მიმღები

ელექტრონიკა

მყარტანიანი კათოდი

დამკვირვებე ლი

დაბალი ძაბვა ლიუმენესცენ ტური ეკრანი

მაღალი ძაბვა იწ მიმღები

ო ბიექტი ვ ი

ეოპ

1000

1500

წამკითხავი

ვიზუალიზაცია

დიაპაზონი

ელექტრონიკ ა ღამის ხედვა

0,7-2

4000

4000

სითბური ხედვა

3-5

4000

4000

სითბური

8-1

135

136

137

143

144

145

თბომხედველი ხელსაწყოები

147

148

149

150

151

152

153

154

ფოკალურ-მატრიციანი თბომხედველის განზოგადოებული ფუნქციონალური სქემა

1. ოპტიკური სისტემა 2. ფოკალური მატრიცა წინასწარი გამაძლიერებლებით 3. მულტიპლექსორი 4. გაცივების სისტემა 5. მგრძნობიარე ელემენტების მახასიათებლების არაერთგვაროვნების მაკორექტირებელი მოწყობილობა 6. ანალოგურ ციფრული გარდამქმნელი 7. არაერთგვაროვნების ციფრული კორექტორი 8. არამუშა უჯრედების კორექტორი 9. გამოსახულების მაფორმირებელი 10. დისპლეი 11. ციფრული გამოსასვლელი

თერმომხედველი კამერა

კონტროლერი

სითბომხედველი კამერის ბლოკ სქემა 1-ობიექტივი, 2-მაკალიბრებელი მოწყობილობა , 3-ცივი დიაფრაგმა , 4-მატრიცული ფოტომიმღები ხელსაწყო , 5ვაკუუმური კრეოსტატი, 6- იმპულსური და მუდმივი მმართველიძაბვების გენერატორი , 7-გამაძლიერებელი დიფერენციალური გამოსასვლელით, 8-ფმხ-ს ტემპერატურის გამზომი და საფენზე წანაცვლების ძაბვის მიმწოდებელივტომატი, 9,14-მართვისა და სინქრონიზაციის ბლოკები , 10-ციფრულ -ანალოგური გარდამქმნელი , 11ამჯამავი მოწყობილობა, 12-მეხსიერების დისპეტჩერი, 13,16-მეხსიერების ბანკები , 15-პერსონალურ კომპიუტერთან კავშირის ბლოკი, 17 პერსონალური კომპიუტერი

157

159

160

161

სენსორების ძირითადი მახასიათებლების შედარება

Современные тепловизоры «смотрящего» типа.

Модель Тепловиз ора

Страна/Фирм а производите ль

Диллер/пост авщик

Thermo Vision 2000

СШАШвеция/FLIR

ThermoVi sion A40M

Поле зрения

Частота кадров

Число разрядов АЦП

Раб Темпер ат.

Спект р. Диапа зон

0,99° ´ 0,74 °; 6,0° ´ 4,5 °; 25° ´ 19 °

50/60 Гц

14 бит

От 32°С до + 55°С

8-9 мкм

-40+500°С

24° х 18°

50/60 Гц

8/16 бит

От 15°С до + 50°С

0,08°С

от -40 до 2000°С

29 ° x 22°

60 Гц

14 бит

-15 до 50°С

8-14 мкм

320 x 240

от 0,03 до 0,15°С

-40+500°С

21.7° x 16.4°

60 Гц

14 бит

-15 до 50°С

8-14 мкм

54000

320 x 240

0,035˚С

-65˚С до +55˚С

14˚x10˚

-65˚С до +55˚С

7.513.5 мкм

10700

9° х 6,75°

От 20°С до + 45°С

8-12 мкм

-10° С +50° С

8 - 13 мкм

Тип Детектора

Кол-во ячеек в матрице

Темпер. Разреш.

Пергам

FPA

320 x 240

0,03°С

СШАШвеция/FLIR

Пергам

FPA

320 x 240

0,08°С

TS7302

Япония/NEC

ЗАО "НТЦ ПОЛИКИТ"

UFPA

320 x 240

TS9100

Япония/NEC

ЗАО "НТЦ ПОЛИКИТ"

UFPA

Титан

Россия/Перг ам

Пергам

UFPA

Сыч-2

Россия/Цикл он

ТН4604МП100

Россия/Спек тр

VarioCAM ™ Head

Германия/JE NOPTIK INFRATEC

Иртис 2000

Россия/Ирти с

микроболомет р

ЗАО "Мир Диагностики " Иртис

микроболомет р

InSb(HgKdTe)

Темпер. Диап.

0,1°С

320 x 240

0,10° С

30°С+500 °С

320 x 240

0,08°С

40+1200° С

60 Гц

-40+200°С

Время сканиро вания 1,5 сек.

1x1

0,05°С

9° х7°

25 х 20°

30 Гц

16 бит

Цена, euro

33500 От 20°С до + 45°С

3-5(812)

165

166

167

169

170

Ед ин иц а Спектральная чувствительность

мкм

Λ мах

(мкм)

Русский

Английски

NEP ЭМШ

Вт*Гц1/2

Эквивалентная мощность шума

(Noise Equivalent Power) NETD

ЭШРТ

мК0

эквивалентна Noise я шуму Equivalent разница Temperature температур

Difference

Токовая чувствительность

Квантовая эффективность Обнаружительная способность D* l max

PbS

PbSe

InGaAs

KRT

Ge

1-3

3-5

0,9-1,7

1,0-2,5

0,5-1,8

1*10 -16 -1*1015

эквивалентная шуму сила света (количество света с SNR = 1); эквивалентная шуму разница температур,— показатель чувствительност и, разрешения и достижимой точности датчика;

0,97 1,5MKM 0,71,55MKM

А/Вт % (при Λ мах=… ) см*Вт1гц0,5r 10-10

Шумовой ток-lШ

Темновой ток- lТ (u)

Определение

= uq [qh Ффон AG2 + Iт (V) + kT/qR] ∆f

A

Коэффициент фотоэлектрического усиления Токовая чувствительность Спектральная зависимость удельной обнаружительной способности Коэффициент фотоэлектрического усиления- G Плотность потока фотонов- Ф

A/Bт

171

SI

11. ტექნოლოგიური მოწყობილობა-დანადგარები და საწარმოო ხაზები

http://elinform.ru/articles_57.htm#Flip_p3

174

175

176

177

178

179

Flip-Chip-ის სამონტაჯო ხაზის 1-უბანი

Flip-Chip ტექნოლოგიის მე-2 უბანი

Flip-Chip ტექნოლოგიის მე-3 უბანი

http://youtu.be/J8ZPIDNaijs http://www.youtube.com/watch? v=v7J_snw0Eng&feature=player_detailp age

185

186

187

188

189

190

191