Тепловизор

Оптоэлектронным прибором для получения изображения в ИК – лучах является тепловизор. Этот прибор дает представление о распределении температуры по поверхности объекта. В отсутствие отраженного солнечного света доминирующим становится тепловое излучение тел. Высокого разрешения добиваются, применяя многоэлементные приемные матрицы размером 586´586 элементов. В тепловизорах обычно фиксируется не излучение, а разность сигнала между падающим на приемник и опорным сигналом, компенсирующим сигналом (той же частоты, фазы, формы). Амплитуда компенсирующего сигнала выбирается такой, чтобы результирующий сигнал на выходе предусилителя был равен нулю при фиксации прибора на заранее выбранной точке объекта. В 1980 г. в нашей стране был промышленностью изготовлен тепловизор «Рубин – 2» для измерения тепловых процессов энергетических установок, для контроля технологических процессов, для диагностики заболеваний. Для получения компенсирующего сигнала используется электронно-оптический опорный датчик с усилителем. Сигнал от него подается на синхронный детектор, в котором формируется компенсирующий сигнал. На выходе синхронного детектора, на который через усилитель поступает разность основного и компенсирующего сигналов, возникает напряжение, знак и амплитуда которого зависит от перепада температуры частей объекта относительно выбранной точки объекта. Этот сигнал далее усиливается. Параметры тепловизора «Рубин – 2»:

Пороговая чувствительность по температуре 0.1°С

Разрешающая способность 8¢

Диапазон расстояний 0.4 м - ¥

Диапазон температур 18 - 200°С

Питание 220 В, 50 Гц

Потребляемая мощность 200 Вт

Вес ~ 60 кг

В качестве приемника излучения использовался фоторезистор из антитимонида индия, охлаждаемый до температуры жидкого азота. Частота модуляции лучистого потока составляла 1360 Гц.

В тепловизоре с фотоприёмным устройством (ФПУ), имеющим один малоразмерный чувствительный элемент, развертка изображения должна вестись по двум координатам аналогично строчной и кадровой разверткам обычного телевизора. Существует много конструкций двухкоординатных сканеров с использованием вращающихся зеркал, зеркальных призм и клиньев, но все они сложны и дороги. Тепловизоры с одним фоточувствительным элементом в ФПУ не достигают той чувствительности, которая необходима для многих применений. Это легко понять, если вспомнить, что время кадра 1/25 секунды определяется свойствами человеческого глаза и не может быть уменьшено без ущерба для качества изображения. За 1/25 секунды нужно осмотреть все элементы разложения изображения. Поэтому сигналы от каждого элемента получаются очень короткими и для их усиления и обработки в электронном тракте нужна широкая полоса частот. При этом значительно растут шумы и снижается отношение сигнал/шум.

Следующим этапом развития тепловизионных приборов является использование ФПУ с многоэлементными линейками чувствительных элементов. В этом случае отпадает необходимость сканирования по двум координатам. Время сканирования вдоль линейки может быть сделано равным времени кадра. В этом случае возникают новые трудности, связанные с неоднородностью параметров фоточувствительных элементов линейки. Кадр приобретает полосатую структуру. В случае параллельного сканирования при появлении дефекта хотя бы в одном из элементов линейки появляется черная строка. Поэтому лучше возвратиться к сканированию по двум координатам, применяется последовательное сканирование с режимом временной задержки и накопления сигнала. Элементы изображения пробегают при сканировании вдоль линейки и создают сигналы, которые затем складываются на конденсоре, и общий сигнал поступает в усилитель. Сигнал последнего элемента поступает без задержки, а сигнал первого – с наибольшей задержкой. При N элементах линейки сигнал растёт в N раз, а шум – в ÖN раз, так как случайные процессы складываются по правилу сложения квадратов. Если в линейке имеется один дефектный элемент, то сигнал несколько снизится, но изображение ухудшится незначительно. Принцип последовательного сканирования с временной задержкой и накоплением сигнала схематично представлен на рис. 31.

Рис. 31. Схема последовательного сканирования с задержкой и

накоплением сигналов:1-линейка фотоэлементов, 2-предусилители,

3-линии задержки, 4-накопитель сигнала, 5-усилитель видеосигнала.

5. 3. Фокальные, «смотрящие» матрицы.

Мечтой разработчиков тепловизоров является полный отказ от механического сканирования. Необходима двумерная система фоточувствительных элементов – матрица, «смотрящая» матрица больших размеров. Тепловизоры на основе таких матриц не требуют оптического сканирования при формировании сигнала изображения и должны реализовывать преимущества обработки фотосигнала, связанные с большим временем его накопления. Последнее в пределе может быть равно времени кадра, которое, как правило, определяется инерционностью человеческого глаза. Применение «смотрящих» матриц позволяет существенно уменьшить габаритные размеры энергопотребления, упрощает требования к оптической схеме тепловизионной системы.

В видимой области спектра задача была решена в 1971 г. Бойлем и Смитом, изобретателями кремниевых приборов с зарядовой связью. В настоящее время наиболее значительные успехи в области создания матричных фотодетекторов ИК-диапазона с высокими пороговыми характеристиками достигнуты на пути разработки высококачественных фотодиодов на основе HgCdTe, которые являются основными элементами для создания фокальных матриц. Созданы «гибридные» фотоматрицы. Термин «гибридные» означает, что отдельно изготавливаются фотоматрица из чувствительных элементов и матрица, представляющая собой сверхбольшую интегральную схему на основе кремния для считывания и обработки сигналов чувствительных элементов. Эти матрицы стыкуются при помощи множества микроконтактов из индия. Квантовая эффективность этих матриц близка к единице. В настоящее время – это продукт самой высокой технологии, матрицы имеют формат 256х256 или 512х512 элементов.

Сложность изготовления и большая стоимость этих матриц заставила разработчиков искать альтернативные пути создания «смотрящих» матриц. Определённые трудности представляет стыковка габаритной фотодиодной матрицы из HgCdTe с кремниевой микросхемой. В специальной литературе можно ознакомиться с анализом процессов считывания и накопления сигналов. В последние годы большие успехи были достигнуты при создании фотоматриц из микроболометров. К тому же эти фотоприемники не требуют охлаждения.

Обычно чувствительные элементы фотоэлектрических ИК-фотоприёмников имеют предельные характеристики по чувствительности и шумам только при достаточном охлаждении. Поэтому в состав тепловизоров входит микрокриогенное устройство. Оно представляет собой малогабаритное газовую холодильную машину, работающую на основе термодинамических циклов или теплообменник на основе эффекта Джоуля-Томсона. Для ручных приборов ночного видения используются термоэлектрические охладители на эффекте Пельтье.

Пороговые характеристики фотонных детекторов выше, чем болометрических фотоприёмников. В квантовых фотодетекторах при межзонном поглощении ИК-излучения каждый поглощённый фотон генерирует электронно-дырочную пару, которая и определяет фототок. В тепловых, болометрических, фотоприёмниках энергия поглощённого фотона перераспределяется между всеми подсистемами кристалла. Поэтому чувствительность тепловых приёмников ниже, чем квантовых; тепловые приёмники также и более инерционны. В последнее время создаются фоторезисторы для ИК области спектра на основе квантово-размерных эффектов – структуры на квантовых ямах, QWIP –структуры, с числом элементов 256х256 и 640х480. Эти структуры создаются на основе эпитаксиальных слоев GaAs/Al_xGa_1-xAs, которые более технологичны по сравнению с фокальными матрицами на основе HgCdTe, но в тоже время требуют более низкой температуры охлаждения (примерно на 10 градусов) для достижения режима ограничения фоном. Однако фотоприёмники на основе квантово-размерных эффектов имеют значительные преимущества по инерционности, достигая величин нескольких пс. Таким образом, разработка фокальных матриц длинноволнового ИК-диапазона с большим временем накопления фотосигнала (в пределе, равном постоянной времени человеческого глаза) является актуальной задачей.

В заключение этой главы остановимся коротко на основных принципах работы бытовых приборов ночного видения. Принципиальная схема современного прибора ночного видения представлена на рис. 32.

Рис. 32. Принципиальная схема прибора ночного видения.

Оптическая система обеспечивает фокусировку оптического изображения на приемное устройство – фотокатод, который входит в состав электронно-оптического преобразователя (ЭОП). ЭОП – электровакуумный прибор, преобразующий изображение, создаваемое на фотокатоде, в видимое изображение на флуоресцирующем экране. Фотоэлектроны полем в несколько кВ устремляются к люминесцирующему экрану (люминофору), на котором формируется изображение. Излучение люминофора проходит через фокусирующую систему линз и попадает в глаз наблюдателя. В настоящее время применяются ПЗС – фотоприемные устройства в замен люминофорам. Приборы ночного видения работают в области спектра (546 – 900) нм и имеют небольшие размеры - длину (75 – 80) мм.

Некоторые применения тепловизоров:

-тепловые карты местности, получающиеся с помощью тепловизионной аппаратуры, дают ценную информацию об утечке тепла из трубопроводов, утечке природного газа и т. д.,

-возможность обнаружить утечку тепла из зданий,

-для машиностроения полезна диагностика распределения температур,

-для микросхемотехники решается проблема распределения температур по микросборками и по аппаратуре в целом,

-применение тепловизора в медицине, с помощью которого можно снять термограмму человека или отдельных его органов, получить мгновенное распределение температуры.

Глава 6. Оптическая связь. Основы волоконной оптики.

Дата добавления: 2014-01-05