Перспективы развития приборов ночного видения

Рис.2. Схема построения ПНВ на основе ТПИ: 1 - объектив; 2 - ТПИ; 3 - блок питания; 4 - поляризатор-анаизатор; 5 - светодиод; 6 - проекционный объектив; 7 - куб-призма; 8 - окулярная оптика

Рис. 1. Конструкция твердотельного преобразователя изображения: 1 - стеклянные подложки; 2 - прозрачные электроды; 3 - ориентирующий слой; 4 - прокладка; 5 - жидкий кристалл; 6 - диэлектрическое зеркало; 7 - блокирующий слой; 8 - фотопроводник; 9 - слой диэлектрика

ПРИМЕНЕНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ТЕХНИКЕ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

В настоящее время наибольшее распространение получили приборы ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), работающих в области спектра 0,4-0,9 мкм [1]. Однако для создания перспективных ПНВ наиболее целесообразно перейти к использованию рабочей области спектра 1,4-1,8 мкм. Это позволит в 1,4-1,5 раз повысить контраст в изображении, создаваемом ПНВ, работать в условиях почти на два порядка большей естественной ночной освещенности, увеличить на 10-20 % обеспеченность освещенностью работу ПНВ ночью в течение всего года.
Для создания таких ПНВ оптимальным вариантом является применение ТПИ, работающих в области спектра 0,6-2 мкм и выполненных на базе структуры МДП- жидкий кристалл (МДП-ЖК). В отличие от ЭОП ТПИ - безвакуумный прибор, не требует высоковольтного питания, его устойчивость к воздействию световых помех на несколько порядков выше, чем у ЭОП.
В настоящее время созданы экспериментальные образцы таких ТПИ [2], имеющих следующие характеристики: чувствительность 10^-5-10^-6 Вт/см², пространственное разрешение 25 штр/мм, диаметр чувствительной площади 20 мм, быстродействие - не хуже 20 мс, напряжение питания 10-20 В, габаритные размеры Æ 70х15 мм, наработка на отказ 5000 ч. Такой ТПИ на базе структуры фоточувствительный полупроводникжидкий кристалл (ФП-ЖК) позволяет в реальном масштабе времени преобразовывать исходное изображение. Конструкция структуры ФП-ЖК показана на рис. 1, где фоточувствительный слой фотопроводника (ФП) отделен от обоих прозрачных электродов слоями диэлектрика и жидкого кристалла (ЖК). Такие структуры работают при любой полярности напряжения питания. При создании изображения на входе структуры

в объеме высокоомного ФП формируется рельеф электрического поля, соответствующий рельефу освещенности ФП. Образующиеся за счет фотогенерации неравновесные свободные носители разводятся полем к границам ФП. При накоплении заряда, достаточного для полного экранирования объема ФП, происходит перераспределение напряжения между ФП и ЖК. При этом напряжение на ЖК увеличивается. Сформированный в структуре рельеф изображения хранится до тех пор, пока в ней протекают переходные процессы. Разрешающая способность структур ограничивается диффузным растеканием носителей заряда. После включения импульса напряжения накопленные на противоположных границах полупроводника электроны и дырки под действием поляризующего поля возвращаются в объем и рекомбинируют. Рельеф электрического поля, создаваемого под действием процессов фотогенерации носителей заряда при создании изображения на входе структуры, приводит к изменению электрооптических свойств ЖК и, как следствие этого - к пространственной модуляции считывающего излучения, отраженного от слоя диэлектрического зеркала, введенного в конструкцию ТПИ для устранения воздействия считывающего света на ФП. Для устранения влияния этого света, прошедшего через слой диэлектрического зеркала, между слоем ФП и зеркалом наносится "блокирующий" светопоглощающий слой (теллурид кадмия) с коэффициентом пропускания 0,0001. В качестве ФП используется полуизолирующий арсенид галлия, компенсированный хромом, ванадием и кислородом. Спектральная зависимость фоточувствительности структуры ТПИ на базе этого ФП изображена на рис. 2.

Светодиод (см. рис. 2) является источником считывающего излучения, которое коллимируется с помощью проекционного объектива и, отразившись от светоделительной гипотенузной грани куба-призмы, направляется к ЖК ТПИ. При этом с помощью поляризатора-анализатора (поляризационный фильтр ПФ 50) излучение поляризуется. Отраженное от ЖК излучение за счет вращения плоскости поляризации считывающего излучения при изменении напряжения на ЖК модулируется рельефом слоя ЖК, соответствующим рельефу изображения от объектива наблюдения и окружающего его фона в ФП ТПИ. Поворачивая вокруг оси ПНВ поляризатор- анализатор, можно менять контраст объекта на окружающем его фоне от отрицательного (темный объект на светлом фоне) до положительного (светлый объект на темном фоне) и наоборот.
Схема блока питания ТПИ изображена на рис. 3. Блок формирует меандр амплитудой
10-15 В. Частота меандра автоматически регулируется в зависимости от уровня внешней освещенности с помощью фотосопротивления ФС в пределах 100 Гц-10 кГц. Блок питается от напряжения постоянного тока 2,4-3 В. На рис. 4. показан внешний вид ТПИ и макета ПНВ на базе ТПИ. ПНВ имеет увеличение 2 крата, угол поля зрения 27 град, массу 0,6 кг, энергопотребление 0,15 Вт, разрешающую способность (с фильтром КС-19) 15 штр/мм при оптимальной освещенности. Цвет изображения определяется длиной волны источника считываюшего излучения. В данном ПНВ используется светодиод ФЛ307Б зеленого цвета свечения.
Полевые испытания ПНВ показали, что при оптимальной освещенности ростовая фигура человека опознается на дальности 100 м, автомашина грузовая ЗИЛ 150 - на дальности 500 м, легковая автомашина "Жигули" - на дальности 300 м. Двенадцатиэтажные здания наблюдались на дальности до 3000 м. При наблюдении ярких объектов (излучения прожектора с силой света до 2 млн. кд, лампы накаливания мощностью 100 Вт, установленных от ПНВ на расстоянии 300 и 3 м, соответственно) ТПИ локализует их изображение в виде светящихся точек, не мешающих процессу наблюдения. При визировании ПНВ в дневных условиях прямо на Солнце ТПИ вообще вычитает его изображение. Таким образом, экспериментально подтверждена способность ПНВ на базе ТПИ создавать

Следующим фактором, ограничивающим чувствительность ТПИ, является термогенерация носителей заряда. При использовании в ТПИ относительно узкозонных объемных однослойных ФП ФЧЭ чувствительность ТПИ может уменьшаться на несколько порядков. Термогенерацию можно существенно снизить за счет использования гетероструктур либо квантовых структур с тонким ФП слоем относительно узкозонного полупроводникового материала. Последний будет определять низкий уровень термогенерации неравновесных носителей заряда в структуре.

Рассмотрев факторы, уменьшающие пороговую чувствительность ТПИ данного типа, можно оценить предельное ее значение в рамках рассмотренной модели, используя реальные параметры ФП-ЖК. К настоящему времени в ТПИ возможно применение ЖК с величиной полуволнового напряжения 0,01-0,1 В. При этом длина ЖК слоя L_ЖК = 10 мкм, а SЖК = 6.
В этом случае величина L_ФП выбирается такой, чтобы aL_ФП > 1. Однако при реально достигнутых a = 10 см^-1 имеем L_ФП = 0,1 см. Это недопустимо из-за большого уровня термогенерации, так что обычно реально L_ФП = 10^{-2 см.}

При такой величине L_ФП возникают ощутимые потери полезного оптического сигнала, формирующего изображение, так что он не первышает 20 %. Предполагая, что внутренняя квантовая эффективность фотопроводимости около 1, на основе соотношения (8) пороговая энергетическая экспозиция ТПИ составляет 10^-12 Дж/см². С учетом времени накопления
0,01-0,001 с верхний предел чувствительности можно считать равным 10^-9-10^-10 Вт/см². Достижение этого предела связано с решением комплекса отмеченных выше проблем. Современные ЭОП имеют пороговую чувствительность 10^-11 Вт/см². Однако отмеченные выше преимущества спектрального диапазона ТПИ позволяют компенсировать их меньшую пороговую чувствительность по сравнению с ЭОП. С учетом изложенного существуют реальные возможности построения перспективных ПНВ на базе ТПИ.

В настоящее время разработаны бипланарные ЭОП с фотокатодом, чувствительным до 1,1 мкм, разработаны микроканальные и волоконно-оптические пластины, обеспечивающие получение разрешающей способности до 54 штр/мм. Чувствительными элементами приборов
4- го поколения могут являться и твердотельные преобразователи изображения (ТПИ). Они должны по параметрам соответствовать ЭОП. Работы по созданию ТПИ ведутся в нашей стране. Созданы образцы ТПИ с чувствительностью до 1,7 мкм, пороговым разрешением 20 штр/мм и с пороговой освещенностью до 10^-7 Вт/см². На основе новых типов чувствительных элементов представляется возможность создания поколения приборов ночного видения, обеспечивающих повышение основных технических параметров в 1,5-2 раза по дальности действия и по полям зрения, и обеспечить работу в течение всего темного времени суток практически в любых естественных условиях, благодаря более высокой (на два порядка) естественной ночной освещенности, чем в освоенном диапазоне спектра. Такие приборы обеспечивают более высокую помехозащищенность, так как большинство световых помех имеет спектр излучения в видимой и ближней ИК-области спектра (l < 0,9 мкм). Приборы на ТПИ в принципе обладают практически идеальной помехозащищенностью из-за резко нелинейной характеристики "свет-свет". За рубежом, в США, интенсивно ведутся работы по созданию ЭОП 4-го поколения. В 1997 г. получены бипланарные ЭОП поколения 3⁺ (разрешающая способность до 64 штр/мм, чувствительность фотокатода до 1,1 мкм, пороговая освещенность 2,5·10^-10 Вт/см2, чувствительность на длине волны l = 830 нм до 100 мА/Вт, диаметр фотокатода 17,5 мм).

Абсолютно во всех приборах принят принцип модульного конструирования. По насыщенности тепловизионными приборами армии США и стран НАТО существенно опережают Российскую Армию.
Дальнейшее развитие тепловидения связано с четко выделенным делением на четыре поколения:
1-е поколение: тепловизоры на одиночных линейках фотоприемников на основе КРТ с двумерной разверткой;
2-е поколение: тепловизоры на субматрицах на оснвое КРТ с суммированием сигналов не менее чем по 2 элементам и одномерной разверткой;
3-е поколение: тепловизоры на матрицах CdHgTe с размером чувствительных элементов 20мкм. Чрезвычайно высокая чувствительность таких фотоприемников > 1·10¹¹ см·Гц^1/2·Вт^-1 позволяет получить температурную чувстительность тепловизионного прибора Т < 0,07 °С;
4-е поколение: тепловизоры на тепловых неохлаждаемых матрицах на основе микроболометров из кремния, а также на основе пироэлектрических матриц и других материалов (типа VO). В тепловизорах 4-го поколения отсутствуют сканер и система глубокого охлаждения.
Более низкая чувствительность тепловых матриц требует использования сверхсветосильной оптики (1:0,7-1:0,5) для получения необходимой пороговой чувствительности прибора. На основе субматрицы из четырех столбцов по 128 элементов с шахматным расположением площадок, на основе матрицы и матрицы из КРТ (128х128 элементов) в НПО "Орион" разработаны тепловизоры с достаточно хорошей системой обработки сигналов.
За рубежом в виде образцов существуют тепловизоры всех поколений. В частности, бинокль Sophie французской фирмы CSF на основе субматрицы 4х288 элементов 0,03х0,03 мм массой 2 кг, панкратическим объективом с полем зрения 4х3 град и 8х6 град. Дальность опознавания человека 1200-1300 м. На базе этого типа фотоприемника разработан тепловизионный прибор вождения различных военных машин, прицел для ПТУРС, прибор корректировки огня. На основе этой же субматрицы разработана тепловизионная панорама для командира танка "Леклерк" с дальностью действия до 2,5 км, прицельно-навига-ционная система для вертолета и прицел для танка "Леклерк" с дальностью опознавания 3,5 км.
На основе матрицы пироэлектрических фотоприемников фирмой Delft Sensor Systems разработан бинокль с дальностью опознавания 790-800 м, массой 2 кг, полем зрения 10х5 град, тепловой матрицей производства фирмы Mulard (Великобритания) с числом элементов 512х250.
Фирмы Texas Instrumemts, Hughes (США) разработали гамму тепловизионных приборов на основе микроболометрических и пироэлектрических матриц. В частности, прицел для стрелкового оружия массой 1,77 кг и дальностью действия 800 м, прицел для крупнокалиберного пулемета и гранатомета массой 3,2 кг и дальностью действия 1200 м, прибор разведки с массой 5 кг и дальностью действия до 2,5 км.
Фирма "Инфраметрик" (США) на основе матриц из InSb с микрохолодильником разработала гамму приборов для решения военных задач. Но в то же время тепловизоры обладают рядом недостатков, которые можно восполнить другими средствами видения в темное время суток. Поэтому наиболее эффективными являются комбинированные и комплексные приборы. В частности, сопрягаются низкоуровневый телевизионный, тепловизионный и активно- импульсный каналы. Информация с таких каналов обрабатывается совместно, обеспечивая высококачественное изображение за счет восстановления изображения по сигналам с различных каналов. Наиболее полное решение проблемы видения реализуется при включении в состав комплексного прибора радиолокационного канала. При этом полностью решаются проблемы всепогодности, круглосуточности, помехозащищенности видимости через дымы и в условиях пыли. У нас был проведен ряд работ по созданию таких систем для подвижных разведывательных пунктов, прицельной системы для самоходной артиллерии, системы управления огнем перспективного танка.
За рубежом разработан ряд комплексных систем. Все корабельные системы и системы для авиации имеют обязательно низкоуровневый телевизионный и тепловизионный канал с совместной обработкой информации.
Для разведывательных целей осуществляется совмещение тепловизионного, низкоуровневого телевизионного и радиолокационного каналов. В частности, такая система с выносной мачтой разработана в Великобритании и представляет сочетание низкоуровневого телевизора, тепловизора и радиолокатора. В переносном комплексном приборе разведки предусмотрен радиолокатор и тепловизор (Raptor), что обеспечивает дальность опознавания до 6,5 км.
В России особенно быстрыми темпами вились работы по созданию приборов гражданского применения, которые интенсивно покупаются за рубежом. Количество разработок ПНВ и ТПВ традиционными разработчиками и вновь возникшими на базе традиционных предприятий уже перевалило за сотню. Бурно проводились также работы по созданию приборов гражданского применения, которые интенсивно покупаются за рубежом. К сожалению, ничего нового в этих разработках нет.

Перспективы развития приборов ночного видения (ПНВ) связаны с созданием чувствительных элементов 4-го поколения. ЭОП 4-го поколения должен иметь спектральную чувствительность до 1,5 мкм, разрешающую способность 64 штр/мм, чувствительность на длине волны = 1,0 мкм S >100 мА/Вт, отношение сигнал-шум более 63 единиц.

В настоящее время разработаны приборы ночного видения (ПНВ) на бипланарных ЭОП с фотокатодом, чувствительным до 1,1 мкм, разработаны микроканальные и волоконно-оптические пластины, обеспечивающие получение разрешающей способности до 54 штр/мм. Чувствительными элементами ПНВ 4-ого поколения могут являться и твердотельные преобразователи изображения (ТПИ). Они должны по параметрам соответствовать ЭОП. На основе новых типов чувствительных элементов представляется возможность создания поколения приборов ночного видения (ПНВ), обеспечивающих повышение основных технических параметров в 1,5-2 раза. Такие ПНВ обеспечивают более высокую помехозащищенность. Приборы ночного видения на ТПИ в принципе обладают практически идеальной помехозащищенностью из-за резко нелинейной характеристики "свет-свет".

За рубежом, в США, интенсивно ведутся работы по созданию приборов ночного видения (ПНВ) на основе ЭОП 4-го поколения. Таким образом, перспективы создания новых поколений ПНВ связаны с использованием полностью твердотельных преобразователей изображения, работающих в области спектра 0,9 – 2 мкм, обеспечивающих наблюдение в широком диапазоне внешних условий и новые функции, отсутствующие у ПНВ на базе ЭОП.

Дата добавления: 2013-12-14