Исследование оптических явлений в мультиспектральном матричном фотоприемнике на основе кремния

Предмет исследования. Представлено исследование в области разработки и создания модернизированных мультиспектральных систем цветоделения многослойного типа, обладающих повышенным цветовым разрешением. Рассмотрены виды структур разработанных шаблонов матричных фотоприемников на основе многослойного кремния с рабочими слоями для применения в синем, зеленом, красном и инфракрасном диапазонах спектра.

Метод. Предложена методика расчетов слоев кремния в виде оптических пленок с заданными характеристиками. Слои кремния выполняют функции как чувствительного элемента, так и фильтра определенной длины волны для выделения синиего, зеленого, красного и инфракрасного диапазонов спектра. Выполнен расчет коэффициентов отражения и пропускания для выбранных длин волн при различных углах падения на сенсор. Рассчитан угол Брюстера для этих длин волн. Учтено возможное наличие поверхности сенсора микролинзы. Представлены расчеты для ячеек с четырехслойной и двухслойной структурами при различных комбинациях слоев.

Основные результаты. Получены зависимости коэффициентов отражения и пропускания для двухслойных и четырехслойных структур полупроводниковых сенсоров для p- и s-поляризации, также для неполяризованного света. Показано, что минимальным коэффициентом отражения и максимальным коэффициентом пропускания обладает сочетание слоев красного и инфракрасного диапазонов спектра.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке многослойных мультиспектральных систем с регистрацией инфракрасного излучения. В результате возможно применение пары красного и инфракрасного спектров в качестве основы шаблона матричного фотоприемника, а слои синего и зеленого спектров как вспомогательные для построения полноцветного изображения.

1. Андрианов В.П., Базаров Ю.Б., Губачев А.В., Дулин О.Н., Елгаёнков А.Е., Каменев В.Г., Кузин В.М., Литвинова М.С., Лобастов С.А., Туркин В.Н., Шубин А.С. Цифровой фотохронографический регистратор для исследования быстропротекающих процессов // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 5. С. 117– 121. https://doi.org/10.15372/FGV20180516.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга, Логос, 2007. 192 с.

3. Zhbanova V.L. Features of digital colourimetry application in modern scientific research // Light & Engineering. 2021. V. 29. N 3. P. 146– 158. https://doi.org/10.33383/2021-028

4. Айнбунд М.Р., Егоренков А.А., Пашук А.В. Особенности изображений воды, льда, снега, предметов и человека, формируемых гибридной телевизионной камерой в ближнем инфракрасном диапазоне // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 5. С. 619–625. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-619-625

5. Nonaka Y., Yoshida D., Kitamura S., Yokota T., Hasegawa M., Ootsu K. Monocular color-IR imaging system applicable for various light environments // Proc. of the 2018 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ICCE.2018.8326238

6. Stotko P., Weinmann M., Klein R. Albedo estimation for real-time 3D reconstruction using RGB-D and IR data // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2019. V. 150. P. 213–225. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2019.01.018

7. Siekański P., Paśko S., Malowany K., Malesa M. Online correction of the mutual miscalibration of multimodal VIS-IR sensors and 3D Data on a UAV platform for surveillance applications // Remote Sensing. 2019. V. 11. N 21. P.2469. https://doi.org/10.3390/rs11212469

8. Choe G., Park J., Tai Y.-W., Kweon I. Refining geometry from depth sensors using ir shading images // International Journal of Computer Vision. 2017. V. 122. N 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s11263-016-0937-y

9. Григорьев Л.В. Кремниевая фотоника. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 94 с.

10. Лизункова Д.А. Исследование электрических и оптических свойств фоточувствительных структур на наноструктурированном кремнии: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Самара, 2018. 150 с.

11. Хенкин М.В. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенезированного кремния: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 2015.

12. Овсюк В.Н., Сидоров Ю.Г., Васильев В.В., Шашкин В.В. Матричные фотоприемники 128 × 128 на основе слоев HgCdTe и многослойных гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35. № 9. С. 1159–1166.

13. Rieve P., Walder M., Seibel K., Prima J., Mirhamed A. TFA image sensor with stability-optimized photodiode. Patent US7701023. 2010.

14. Merrill R.B. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure. Patent US5965875. 1999.

15. Lyon R.F., Hubel P.M. Eyeing the Camera: into the Next Century // IS&T Reporter “The window on imaging”. 2002. V. 17. N 6.

16. Gehrke R., Greiwe A. Multispectral image capturing with Foveon sensors // ISPRS – International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2013. V. 40. N 1/ W2(1). P. 151–156. https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-1-W2-151-2013

17. Zhbanova V.L., Parvulyusov Yu.B., Solomatin V.A. Multispectral matrix silicon photodetectors with the IR range registration // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1679. N 2. P. 022039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022039

18. Solomatin V.A., Parvulyusov Yu.B., Zhbanova V.L. Spatial-frequency characteristics of photo matrices for colour image // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1679. N 2. P. 022038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022038

19. Парвулюсов Ю.Б., Жбанова В.Л. Моделирование хода лучей в матричном фотоприемнике с многослойной структурой // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № 4. С. 108–113.

20. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. 848 с.

21. Green M.A., Keevers M. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K // Progress in Photovoltaics. 1995. V. 3. N 3. P. 189–192. https://doi.org/10.1002/pip.4670030303