Японская компания Hamamatsu Photonics является одним из мировых лидеров в разработке и производстве наукоёмких продуктов и приборов в области оптоэлектроники, предназначенных для научных исследований, различных отраслей промышленности, сложного медицинского оборудования и других профессиональных приложений. Такое направление деятельности компании задал её основатель Хейхачиро Хориучи (1917–1997 гг.) – достойный ученик знаменитого японского учёного, изобретателя и организатора, «отца японского телевидения» Кениро Такаянаги.
В 90-е годы в компании созданы подразделения InGaAs приборов и новых полупроводниковых компонентов, начато производство ПЗС-датчиков изображения с обратной засветкой и утончённой подложкой. Продукты компании используются для проведения научных исследований многими ведущими лабораториями. В частности, детектор Super Kamiokande для регистрации нейтрино содержит 11 200 20-дюймовых фотоумножителей Hamamatsu. В 2008 году компания включена в список основных спонсоров проекта Большого адронного коллайдера (Швейцария).
Продукты Hamamatsu находят применение как в приборах широкого применения, так и в самых ответственных приложениях: в позитронно-эмиссионных томографах, компьютерных томографах, в сверхмощных лазерных блоках (до 1000 лазерных диодов с общей мощностью 110 кВт), а также в оборудовании и приборах для космических исследований, в медицинском, промышленном и научном оборудовании.
В каталогах компании фигурируют более двух десятков категорий продуктов, таких как фотооптические интегральные схемы и фотодиоды, приборы для оптической связи, композитные полупроводники, светоизлучающие диоды, мини-спектрометры, источники света, электронные трубки, камеры, лазерные диоды и модули [1].
Официальным дистрибьютором Hamamatsu в России является компания «ЮЕ-Интернейшнл» [2].
В категории опто-полупроводниковых детекторов представлена группа датчиков изображения, выполненных по различным технологиям. Компания выпускает датчики изображения с высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном для высокоточных измерений и промышленных применений. Ассортимент приборов охватывает широкий спектральный диапазон, простирающийся от дальнего инфракрасного излучения, перекрывающий ближний инфракрасный участок (NIR), спектр видимого света, ближний ультрафиолет (NUV), вакуумный ультрафиолет (VUV) и достигающий спектра рентгеновского излучения.
На рисунке 1 показано положение датчиков изображения различных видов, выпускаемых компанией, на осях длин волн и энергий фотонов.
В каталоге компании 2017 года в группе датчиков изображения представлены следующие виды продуктов:
- ПЗС-датчики изображения (ФПЗС – фоточувствительные приборы с зарядовой связью) отличаются чрезвычайно низким уровнем шума, что, соответственно, обеспечивает высокое отношение сигнал/шум на выходе. Hamamatsu применяет в основном ФПЗС с полнокадровым переносом, достигающие 100%-го заполнения площади матрицы светочувствительными элементами и собирающие свет практически с нулевыми потерями. ПЗС-датчики такого типа позволяют применять их для высокоточных измерений, например, в спектрофотометрии. Компания выпускает приборы двух конфигураций – с фронтальным освещением (Front Illumination Type CCD) и с обратной засветкой и утончённой подложкой (Back-Thinned Type CCD);
- КМОП-датчики изображения содержат схемы усиления и синхронизации в каждой пиксельной ячейке и легко интегрируются в различные устройства с минимальным числом внешних компонентов. Приборы квалифицируются по следующим направлениям: линейные КМОП-датчики изображения, датчики с повышенной чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра, датчики для работы в рентгеновском диапазоне и профильные устройства для систем обнаружения движения наблюдаемых объектов;
- NMOS-датчики изображения хорошо подходят для приложений, в которых важна высокая чувствительность в ультрафиолетовом диапазоне. Приборы обладают высокой линейностью и способны накапливать большое количество заряда, что особенно важно в спектрофотометрии, где уровни освещённости достаточно велики;
- дистанционные датчики изображения предназначены для применения в системах измерения расстояния до объекта времяпролётным методом (TOF – Time of Flight). При использовании дистанционных датчиков совместно с импульсно-модулированным источником света определение расстояния производится на основе информации о разности фаз по времени, в течение которого излучается и принимается свет. Для получения данных о расстоянии используются внешние схемы и программная обработка данных на ПК;
- InGaAs-датчики изображения предназначены для работы в ближнем инфракрасном диапазоне с длинами волн до 2,6 мкм. Выпускаются линейные датчики для сканирования объектов и обзорные датчики для работы в NIR;
- фотодиодные решётки с усилителями в связи с большими по сравнению с ПЗС- и КМОП-датчиками изображения расстояниями между фотодиодами используются в основном в промышленном оборудовании и в системах линейного сканирования, например, для проверки багажа;
- рентгеновские датчики изображения конструктивно выполнены в виде сборки из ПЗС- или КМОП-датчиков изображения и оптически связанными с ними сцинтилляторами (панелями, светящимися под воздействием рентгеновского излучения).
Схемы для датчиков изображения выполняются в виде плат, на которых реализованы различные узлы и установлены компоненты и микросхемы для усиления, синхронизации и управления датчиками и их согласования с внешними приборами и компьютерами.
В каталоге компании 2017 года ПЗС-датчики изображения квалифицируются по назначению и принципам работы следующим образом:
- для спектрофотометрии;
- для систем машинного зрения;
- для научных измерений;
- датчики с временной задержкой и накоплением;
- датчики с обратной засветкой и временной задержкой и накоплением;
- датчики рентгеновского диапазона.
Следует отметить, что сферы применения ПЗС-датчиков изображения (кроме рентгеновских приборов) значительно шире, и они могут применяться в самых различных промышленных и специальных приложениях.
Основные параметры ПЗС-датчиков Hamamatsu, разработанных позже 2015 года, приведены в таблице. В таблицу не включены ПЗС-датчики рентгеновского диапазона, так как все приборы этой группы разработаны ранее 2015 года.
В графе «Технология» представлены следующие типы устройств: Back-Thinned – ПЗС с обратной засветкой и утончённой подложкой, CCD Image Sensor – стандартный ПЗС-датчик изображения, Front Illumination – ПЗС с прямой засветкой, Back Thinned TDI – с обратной засветкой, утончённой подложкой, временной задержкой и накоплением.
В графе «Разрешение» приведено число эффективных писклей по горизонтали и вертикали.
В графе «Скорость считывания линий» – скорость считывания всех горизонтальных линий матриц.
Более подробно рассмотрим особенности некоторых ПЗС-датчиков изображения компании, приведённых в таблице.
Датчики S13255-2048, S13256-2048 (см. рис. 2) – линейные ПЗС-датчики с обратной засветкой, утончённой подложкой и функцией электронного затвора.
Приборы построены по принципу резистивного затвора, что обеспечивает высокую скорость считывания изображения, до 10 МГц. Основными сферами применения этих датчиков являются спектрометры, требующие короткого времени интегрирования или быстрого считывания, и промышленные приложения, требующие высокоскоростного сканирования изображения. Светочувствительное окно датчиков имеет размеры 28,672×0,5 мм (S13255) и 28,672×1 мм (S13256), а сами пиксели приборов имеют форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника с размерами 14×500 мкм и 14×1000 мкм. Общее число пикселей – 2128, эффективное – 2048. Приборы отличаются высокой чувствительностью в широком диапазоне длин волн – от ультрафиолетовых до инфракрасных. Основные особенности и параметры приборов:
- минимальное время интегрирования – 2 мкс, запаздывание изображения – 0,1%;
- скорость сканирования линий – до 4 кГц;
- полная ёмкость пикселей – 200 000 электронов;
- шум считывания – 30 электронов;
- диапазон рабочих температур кристаллов –50…+60°С;
- потребляемая мощность – 60…75 мВт.
В приборы встроены термоэлектрические охладители (TE-cooler) на основе элементов Пельтье, обеспечивающие поддержание температуры внутри прибора около 5°С (ток в цепи охладителя 0,1…1,8 А, при токе 0,5 А температура около 10°С).
Датчики S13240, S13241, S10140, S10141 (см. рис. 3) – ПЗС-датчики изображения высокого разрешения с полнокадровым переносом (FFT-CCD).
Серии S10140 и S10141 характеризуются малым уровнем шума, а серии S13240, S13241 – высоким быстродействием. Приборы серий S13241 и S10141 оснащены термоэлектрическими охладителями. В ПЗС-датчиках изображения рассматриваемых серий применены различные материалы защитных стёкол – кварцевое стекло в приборах серий S13240 S10140, сапфир с антибликовым покрытием (AR-coated sapphire) в приборах серии S13241 и S10141. Датчики имеют высокую чувствительность в диапазоне от ближних ультрафиолетовых до инфракрасных волн.
Особенности и параметры приборов:
- размеры светочувствительных окон датчиков в зависимости от числа горизонтальных строк (122/25/506) составляют 24,576×1,466/3/6,073 мм;
- полная ёмкость пикселей – 500 000 электронов;
- шум считывания – 30 электронов (S13240/S13241), 4 электрона (S10140/S10141);
- динамический диапазон (по всей площади сканирования) – 2 333 (S13240/S13241) и 20 000 (S10140/S10141);
- частота выходного сигнала – до 2,5 МГц (S13240/S13241), до 250 кГц (S10140/S10141);
- мощность потребления – 100 мВт (S13240/S13241), 16 мВт (S10140/S10141);
- диапазон рабочих температур – –50…+50°С.
Основные области применения приборов рассматриваемых серий, рекомендованные изготовителем: инспекция промышленной продукции и полупроводниковых приборов, секвенирователи ДНК, детектирование малых уровней освещённости, рамановская спектроскопия, флуоресцентные спектрофотометры, спектрометры с индуктивно-связанной плазмой (ICP).
Датчики S12101, S12071 (см. рис. 4) – ПЗС-датчики изображения высокого разрешения с повышенной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, функцией антиблюминга и квадратным окном размерами 24,576×24,576 мм. Приборы различаются в основном только числом пикселей – 2048×2048 (S12101) и 1024×1024 (S12071). В обоих приборах имеются встроенные термоэлектрические охладители (Iмакс = 4 А, Uмакс =3,4 В). Для защиты светочувствительного окна используется кварцевое стекло.
Приборы могут работать в двух, выбираемых пользователем, режимах: Tap A и Tap B. Режим Tap A предназначен для приложений, работающих в условиях малой освещённости (частота выходного сигнала до 1 МГц). Режим Tap B подходит для приложений, требующих высокого быстродействия с частотами до 30 МГц (S12101) и 10 МГц (S12071).
Характеристики данных приборов:
- полная ёмкость пикселей – 80 000 электронов (S12101) и 350 000 электронов (S12071);
- шум считывания – 5/35 электронов (Tap A/Tap B для S12101), 9/50 электронов (Tap A/Tap B, для S12071);
- динамический диапазон – 160 00/2285 (S12101), 38 888/7000 (S12071);
- мощность потребления – 50/80 мВт (S12010), 45/70 мВт (S12071);
- диапазон рабочих температур – –50…+50°С.
Основные области применения, рекомендованные изготовителем: спектрометры с индуктивно-связанной плазмой, научные измерительные приборы, приложения для визуализации ультрафиолетового излучения.
Датчики S7170-0909, S7170-0909-01 (см. рис. 5) – ПЗС-датчики изображения с полнокадровым переносом, обратной засветкой и утончённой подложкой. Матрица датчика имеет разрешение 512×512 пикселей. Размер пикселя составляет 24×24 мкм. Размеры светочувствительного окна приборов – 12,288×12,288 мм.
Приборы характеризуются высокой чувствительностью – квантовая эффективность в области длин волн 580-650 нм составляет более 90%. Датчики различаются материалами защитного окна – сапфир (S7170-0909) и сапфир с антибликовым покрытием (S7170-0909-01). В прибор S7170-0909-01 также интегрирован термоэлектрический охладитель. Основные особенности и параметры приборов:
- полная ёмкость пикселей – 600 000 электронов;
- шум считывания – 8 электронов;
- динамический диапазон – 75 000 при линейном сканировании, 40 000 – при полнокадровом;
- мощность потребления – 13 мВт;
- частота выходного сигнала – до 1 МГц;
- диапазон рабочих температур – –50…+50°С.
Области применения приборов, рекомендованные изготовителем: научные измерительные приборы, инспекция полупроводниковых приборов, визуализация ультрафиолетового излучения, наблюдение биофотонов (Bio-photon Observation).
Датчики S10200, S10201, S10202 (см. рис. 6) – линейные ПЗС-датчики изображения, выполненные по технологии TDI. Метод сканирования объектов наблюдения с временной задержкой и накоплением по этой технологии позволяет значительно улучшить качество получаемых изображений при низких уровнях освещённости.
Принцип сканирования методом TDI упрощённо показан на рисунке 7. Сканирование осуществляется синхронно с движением объектов наблюдения или самого датчика относительно объектов. Отклики, полученные с различных строк датчика, после соответствующей задержки суммируются, в результате чего выходной сигнал увеличивается. Дополнительным преимуществом TDI-ПЗС-датчиков изображения, например, в системах машинного зрения, является возможность сокращения затрат на освещение объектов съёмки.
ПЗС-датчики изображения рассматриваемых серий выполнены по технологии с обратной засветкой и утончённой подложкой с квадратными пикселями размерами 12×12 мкм.
В зависимости от исполнения, приборы обеспечивают разрешение от 1024×128 до 4096×128. Размеры окон составляют от 12,288×1,536 мм до 49,152×1,536 мм.
Датчики перекрывают широкий диапазон спектра, от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения.
Характеристики приборов:
- скорость считывания линий 50 кГц (100 кГц для S10202-16-01);
- скорость считывания пикселей – 30 МГц/порт;
- полная ёмкость пикселей – 100 000 электронов, шум считывания – 35 электронов, динамический диапазон – 2857;
- мощность потребления – 120 мВт на порт;
- диапазон рабочих температур – –50…+60°С.
Основные области применения приборов, рекомендованные изготовителем: визуализация быстродвижущихся объектов, например, при сортировке промышленной продукции, инспекция электронных компонентов, инспекция полупроводниковых приборов, проточная цитометрия. На основе таких датчиков компания Hamamatsu Photonics выпускает видеокамеры серии С10000.
Литература
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
