TARASOV Viktor Vasilievich, Doctor en Ciencias Técnicas
YAKUSHENKOV Yuri Grigorievich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor
ALGUNAS FORMAS DE MEJORAR LOS SISTEMAS DE IMAGEN TÉRMICA
La necesidad cada vez mayor de nuevos sistemas óptico-electrónicos utilizados en una amplia variedad de ramas de la ciencia y la tecnología ofrece a sus desarrolladores amplias oportunidades para la creatividad. Esto también se aplica a la tecnología de infrarrojos (IR) y su importante componente: los sistemas de imágenes térmicas (TVS). La reciente aparición de nuevas tecnologías y la creación de componentes y módulos modernos basados en ellas a menudo permite a los desarrolladores adoptar un nuevo enfoque en el diseño de estos sistemas y, como resultado, lograr resultados fundamentalmente nuevos y de alta calidad.
La tarea principal que resuelven los desarrolladores de TVS es la visualización de imágenes creadas por sistemas ópticos en la región IR del espectro de radiación electromagnética, es decir. en longitudes de onda superiores a 0,76 micras.
A finales de los años 1990 Estos sistemas entraron en una nueva etapa importante de su desarrollo, que fue causada por la creación de detectores de radiación multielemento (MRD) matriciales (bidimensionales), que permitieron implementar el modo de operación de «vigilancia» de estos sistemas. es decir. abandonar los dispositivos de escaneo óptico-mecánicos. En este caso, resultó especialmente importante crear MPI de matriz infrarroja no refrigerados de tamaño pequeño y de un formato suficientemente grande, así como los circuitos CCD y CMOS correspondientes para la lectura y el procesamiento primario de señales.
La transición de sistemas con escaneo óptico-mecánico a sistemas de tipo visualización (con escaneo electrónico) brindó ventajas tangibles, pero al mismo tiempo generó la necesidad de tener en cuenta una serie de factores nuevos y resolver tareas e incluso problemas previamente desconocidos. asociado, por ejemplo, con un fuerte aumento en el volumen de información que debe procesarse en tiempo real, con características de muestreo espacial y temporal de alta resolución y una serie de otros problemas.
La aparición de componentes falsos de baja frecuencia en el espectro de la señal muestreada (aliasing espectral) debido a la estructura discreta del MPI en sistemas de infrarrojos (IR) del tipo de visualización es una desventaja fundamental de dichos sistemas, ya que conduce a distorsión. del espectro de la imagen, es decir señal de vídeo y luego la señal en la pantalla del sistema de visualización. Un medio eficaz para combatir el alias es el microescaneo, que se lleva a cabo desplazando la imagen (marco) con respecto al MPI durante una parte del período de ubicación del elemento MPI y el posterior muestreo de esta imagen (subtrama o subimagen). Las imágenes digitales resultantes (subfotogramas) se combinan para formar un fotograma completo. En los sistemas conocidos, se utiliza con mayor frecuencia un desplazamiento de la mitad del período de ubicación de los elementos MPI a lo largo de cada coordenada, es decir microescaneo de cuatro posiciones [1, 2]. En este caso, se logra una frecuencia de muestreo doble, en comparación con la frecuencia determinada por el período de ubicación de los elementos MPI, y la característica de frecuencia espacial de todo el sistema sigue siendo la misma, es decir Corresponde a los parámetros geométrico-ópticos del MPI. El solapamiento de los espectros y las distorsiones que lo acompañan se debilitan notablemente, es decir. Las altas frecuencias espaciales en el espectro de la imagen (o los detalles finos correspondientes) se resuelven con éxito. El microscanning permite reducir los requisitos de MPI, es decir. utilice en el sistema MPI un formato más pequeño con un período de píxeles más largo o una lente con una distancia focal más corta, lo cual es importante debido al deseo de simplificar el diseño y reducir el costo tanto del MPI como del ICS en su conjunto.
El microscanning aumenta la resolución geométrica del MPI proporcionalmente al número de posiciones (desplazamientos) que ocupa la imagen con respecto al ráster MPI, manteniendo el formato MPI y el valor del campo angular igual que en el sistema sin microescaneo. Por lo tanto, resulta muy eficaz en sistemas que utilizan MPI con un factor de llenado relativamente pequeño.
La trayectoria de los cambios durante el microescaneo puede ser muy diferente. Por ejemplo, una trayectoria de cuatro posiciones es bastante común en la práctica: posición inicial, a la derecha 1/2 píxel MPI, hacia abajo 1/2 píxel, a la izquierda 1/2 píxel, hacia arriba 1/2 píxel, es decir. a la posición original.
El número de posiciones MPI que participan en un ciclo (período) de microescaneo a menudo está determinado por la necesidad de tener un número de muestras de imágenes separadas igual al formato del sistema de visualización. Así, utilizando el microescaneo, es posible hacer coincidir los formatos TI y los sistemas de visualización.
Aunque el microescaneo aumenta la frecuencia de muestreo y, por lo tanto, permite una mayor resolución espacial, también conduce a una disminución en el tiempo de adquisición. t.
El microescaneo aumenta la frecuencia de muestreo de una imagen estática. Pero no puede mejorar ni la función de transferencia óptica del sistema que precede al MPI ni la función de transferencia de todo el sistema.
El efecto positivo del microescaneo se debilita o se pierde por completo si el proceso de escaneo no es estacionario mientras el receptor integra la señal creada por la imagen (durante la acumulación de carga). El movimiento relativo de la imagen y el MPI durante el tiempo de residencia de los elementos de la imagen sobre los elementos MPI conduce a una imagen borrosa. La función de transferencia general de todo el ICS se deteriora si hay una discrepancia entre los píxeles del MPI de muestreo y los píxeles del sistema de visualización.
En los sistemas de microescaneo, el tiempo de acumulación de carga debe ser suficiente para crear la relación señal-ruido requerida para cada imagen intermedia, es decir subimagen obtenida con cada desplazamiento de imagen. Esto puede limitar la velocidad de fotogramas producida por el sistema de visualización. Por lo tanto, es más fácil garantizar la velocidad de fotogramas requerida de la imagen integrada en sistemas con MPI, que tienen una eficiencia cuántica suficientemente alta, lo que permite menos tiempo para acumular cargas y leer señales de los elementos MPI. El período máximo permitido de cuadros observados usando un sistema de visualización se puede determinar aproximadamente como el producto del tiempo requerido para acumular y leer cargas en una celda fotodetectora (PDU) y el número de posiciones ocupadas por la imagen durante el microescaneo. Por lo tanto, con una velocidad de fotogramas de 30 Hz y un microescaneo de cuatro posiciones (desplazamiento de la imagen a lo largo de cada eje en períodos de disposición de 0,5 píxeles), la frecuencia de microescaneo es de 120 Hz y el tiempo de acumulación de carga correspondiente es de 8,33 ms.
El microscanning puede reducir el efecto del alias de frecuencia en un espectro de primer orden, pero este fenómeno persiste en espectros de orden superior. Se propuso utilizar etapas de microescaneo adicionales para eliminar el aliasing de espectros de orden superior, pero estas propuestas no encontraron aplicación práctica debido a la complejidad de la implementación constructiva, las limitaciones de tiempo y la creciente complejidad del procesamiento de las señales generadas en este caso. Cuando se realiza un microescaneo, el tiempo para obtener una imagen aumenta en proporción al número de pasos (etapas) del microescaneo, y la velocidad de fotogramas es inversamente proporcional a este número. La principal limitación del microescaneo, como se señaló anteriormente, es su ineficacia en el caso de objetos en movimiento cuya imagen es inestable durante el tiempo de detección o reconocimiento. Por lo tanto, si lograr una alta resolución espacial no es muy importante, pero es necesaria la eliminación de imágenes laterales dañinas que surgen del alias de frecuencia, entonces, en el caso de objetos suficientemente brillantes, a menudo no se utiliza el microescaneo, sino el filtrado óptico espacial preliminar, en particular, desenfoque o desenfoque artificial de las imágenes.
Las placas planas paralelas giratorias inclinadas se utilizan como escáner en conjuntos combustibles desarrollados por AEG Infrafot-Module GmbH, Alemania [2]. Este sistema utiliza un MPI basado en MCT de formato 384×288 con un paso de píxel de 24 μm y microescaneo de 2×2 píxeles (Fig. 1).
Fig. 1. Microescaneo de cuatro posiciones mediante un disco giratorio
Con una velocidad de fotogramas de 25 Hz y un tiempo de acumulación de hasta 2 ms, se forma aquí una imagen de salida en formato 768×576, es decir. La resolución se duplica gracias al microescaneo. La frecuencia de rotación del disco, igual a 50 Hz, está sincronizada con la frecuencia de la señal de vídeo. Siempre que una placa plana paralela está frente a la FPU en una de las 4 posiciones, el sistema de sincronización emite un pulso de reloj a la unidad de procesamiento de imágenes, que emite un comando para comenzar a acumular cargas en los píxeles del cuadro de 384×288. Después de la acumulación, se leen las señales y se corrige la falta de homogeneidad. Luego, después de recibir los 4 fotogramas corregidos del procesador digital, la imagen completa en formato de 768×576 píxeles se devuelve al procesador de alta velocidad: la unidad de procesamiento de imágenes.
El sistema descrito en [2] ha demostrado en la práctica la posibilidad de corregir muy bien la falta de homogeneidad de los elementos individuales del PD, lo cual es de fundamental importancia en sistemas con microescaneo. El valor de la diferencia de temperatura equivalente al ruido D Тп no superó los 20 mK con un tiempo de acumulación de 1 ms y un número de apertura de lente K = 2.
Otro ejemplo de un ICS de tipo visualización con microescaneo es el desarrollo por parte de Cincinnati Electronics Corporation de un sistema basado en un MPI a partir de elementos en formato InSb de 256×256 con un factor de relleno de 0,25 [3]. El uso de un microescaneo de cuatro posiciones con un accionamiento piezoeléctrico hizo posible, manteniendo el paso de los elementos MPI de 30 μm y la distancia focal de 250 mm, aumentar la frecuencia de Nyquist de 4,16 mrad-1 a 8,33 mrad-1. Al mismo tiempo, la velocidad de fotogramas se mantuvo igual a 30 Hz. La diferencia de temperatura mínima resuelta D Tr en la frecuencia de Nyquist de 8,33 mrad-1 fue de 100 mK.
Muchos MPI modernos y los multiplexores incluidos en el FPU, que sirven para leer señales de elementos individuales del MPI, se desarrollaron originalmente como parte de proyectos para crear nuevos sistemas de armas. Además, hasta hace poco, cada nuevo multiplexor desarrollado para un tipo específico de MPI requería el desarrollo de un circuito original para garantizar el control del MPI y la FPU. Al mismo tiempo, el tiempo y el coste de desarrollo aumentaron y, además, existía el riesgo de cometer un error, es decir, elegir una solución no óptima.
También cabe señalar que la mejora de varios de los indicadores de calidad más importantes del ICS comenzó a verse obstaculizada no tanto por las dificultades para mejorar los parámetros y características del MPI, sino por las limitaciones introducidas por el circuito electrónico. en particular, el multiplexor. Los ejemplos incluyen el rango dinámico limitado o la salida excesiva de ruido de muchos multiplexores.
En este sentido, cabe destacar especialmente la importancia de desarrollar multiplexores de una serie estandarizada (indigosystems), que tengan una interfaz común con el circuito de procesamiento de señales extraído de los elementos MPI (con electrónica de procesamiento) y ya utilizado en conjuntos combustibles, por ejemplo. Por ejemplo, ISC 9705 de Indigo Syst. Corp. Gracias al uso de una arquitectura multiplexor multicanal flexible y programable, se garantizan altos valores de sus parámetros y la capacidad de operar en varios modos. Esto le permite utilizar el multiplexor en un modo predeterminado bastante simple sin ajustes externos: se envía una señal en formato NTSC o PAL a una salida. El modo de comando programable admite funciones importantes como la transposición dinámica de imágenes, la operación de subtrama, la operación de múltiples salidas a velocidades de cuadros más altas y el escaneo de señales. En ambos modos, puede ajustar la ganancia y leer tanto con la acumulación de señales como leyéndolas simultáneamente de todos los píxeles después de la acumulación. Para MPI de gran formato, el circuito multiplexor proporciona una mayor cantidad de pulsos de reloj por cuadro.
En la figura se muestra un diagrama funcional generalizado de tales multiplexores. 2 [4], y las funciones y características técnicas de los multiplexores (chips de lectura estándar — ROIC) de Indigo System Corp. se presentan en la tabla. 1 y 2.
Fig. 2. Diagrama funcional generalizado de multiplexores de Indigo System
Tabla 1. Chips de lectura estándar de INDIGO SYSTEMS (funciones)
Las características y especificaciones están sujetas a cambios sin previo aviso
Tabla 2. IC de lectura estándar (ROIC) de INDIGO SYSTEMS (Especificaciones)
El uso de una gama estándar de multiplexores en el diseño y la producción conduce al desarrollo de sistemas electrónicos de procesamiento estándar y uniforme para toda una gama de conjuntos combustibles y su colocación en forma de un gran circuito integrado (LSI) en un solo chip con el multiplexor.
Analizando esta y otras tendencias en el desarrollo de la tecnología IR [5], podemos predecir la aparición en un futuro próximo de un convertidor de imágenes térmicas (TVC) que funcione en los rangos espectrales de 3…5 μm y 8…12 μm, cuya entrada recibe radiación IR, convertida en señales de vídeo analógicas y digitales estándar y luego en imágenes de vídeo en una micropantalla alojada en una misma estructura única. Las dimensiones de este TVP serán comparables a las dimensiones de los modernos convertidores electrón-ópticos (EOC) o convertidores híbridos-modulares (IEC más CCD).
El prototipo de dicho convertidor fue desarrollado y fabricado en OJSC Central Research Institute «Cyclone» y se presenta esquemáticamente en la Fig. 3. El dispositivo también contiene sensores de temperatura y cortinas especiales para autocalibración. En un futuro próximo, está previsto que las placas de procesamiento 5, 6, 7, así como la placa de interfaz 8, se fabriquen como un microcircuito independiente, que posteriormente podrá combinarse con un multiplexor de matriz de microbolómetro.
Fig. 3. Convertidor de imágenes térmicas (TIC), que opera en el rango de 8 – 14 micrones:
1 – matriz de microbolómetro de formato 320×240 píxeles;
2 – ventana de entrada de germanio;
3 – sellador ;
4 – carcasa;
5, 6, 7 – placas de circuitos de procesamiento de señales;
8 – placa de interfaz del bloque de circuitos de procesamiento y monitor;
9 – monitor;
10 – pantalla del monitor que emite luz;
11 – almohadillas de contacto para suministrar voltaje y conectar la interfaz
Para implementar completamente el circuito de dicho convertidor, es decir. Para convertir una señal de video en una imagen de alta calidad, es importante tener un monitor pequeño de alta calidad, un sistema de visualización que puede ser una micropantalla. Como es sabido, las micropantallas (pantallas en miniatura de alta resolución diseñadas para usarse con sistemas ópticos de aumento) se usan comúnmente en sistemas de proyección como proyectores portátiles, pantallas de visor de cámara virtual o pantallas (oculares) montadas en el casco o en la cabeza.
Actualmente se conocen varios tipos de pantallas oculares: pantallas de cristal líquido (LCD) con cristales líquidos fijados con poliimida y mediante procesamiento ultravioleta y bombardeo con haces de iones; micropantallas electroluminiscentes de matriz activa (AMEL) en versión digital y analógica, estas últimas permiten controlar los cambios de brillo y los niveles de ruido mediante la electrónica integrada en su diseño; diodos orgánicos emisores de luz (OLED), que permiten crear micropantallas flexibles sobre sustratos plásticos y de alta resolución, tanto activa como pasiva [6, 7].
Parece que los más prometedores para los nuevos TVP son las micropantallas basadas en OLED, ya que se caracterizan por una alta confiabilidad, una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, encendido instantáneo e insensibilidad a las vibraciones. La mayoría de los OLED tienen un tamaño diagonal de menos de 7 mm y una resolución de 320×240 píxeles o superior. Además, el costo de dicha pantalla encaja bien en el costo total de todo el TVP. Conocido producido comercialmente por Magin Corp. (EE.UU.) y pantallas de formato 800×600 píxeles utilizadas en conjuntos combustibles montados en cascos basados en obleas de silicio que contienen toda la electrónica de control [7]. En la figura. La Figura 4 muestra el diagrama de bloques de dispositivo y control de dicho OLED [8].
Fig. 4. Microdisplay sobre diodos emisores de luz orgánicos con circuito de control
Actualmente, se están desarrollando OLED más avanzados, basados en polímeros emisores de luz (LEP), que son la base de la próxima generación de pantallas planas. Serán diseños delgados y livianos con bajo voltaje de alimentación, bajo consumo de energía, alto contraste, amplio ángulo de visión y alto rendimiento.
El funcionamiento de una pantalla de polímero emisor de luz es muy sencillo ( Fig. 5) [8].
Fig. 5. Esquema de funcionamiento de la pantalla SIP.
Entre dos contactos metálicos, al menos uno de los cuales es transparente, están unidas entre sí capas de polímero. Cuando se aplica un voltaje mayor que el umbral de polarización (2 a 3 V), la corriente comienza a fluir. Los electrones se mueven desde el cátodo al LUMO (nivel orbital molecular más bajo y vacío) de la capa de polímero, y los agujeros desde el ánodo al nivel HOMO (nivel orbital molecular más alto y lleno), y la estructura emite luz. El electrón que sale del cátodo se recombina con el hueco, emitiendo luz a una longitud de onda determinada por la banda prohibida del polímero. Debido al alto desorden inherente a las películas poliméricas, la conductividad de los polímeros electroluminiscentes es varios órdenes de magnitud menor que la de los compuestos inorgánicos, pero su pequeño espesor (de 50 a 150 nm) permite que los voltajes de funcionamiento permanezcan bajos. El ánodo normalmente utiliza una capa delgada, transparente y conductora de un compuesto de óxido de indio y estaño depositado sobre un sustrato de vidrio o plástico (Fig. 6). El cátodo puede estar hecho de calcio.
Fig. 6. Estructura de la pantalla SIP
Para controlar el brillo de la imagen en la pantalla, es necesario controlar la corriente que pasa por cada píxel. Para ello se utilizan matrices tanto pasivas como activas. Mediante matrices pasivas se controlan ánodos y cátodos situados perpendicularmente, en filas y columnas, es decir, Proporciona una señal de datos a las columnas cuando las filas se abordan secuencialmente. A medida que aumenta el número de líneas en la pantalla, cada píxel debe recibir un pulso de mayor brillo, que puede superar los 20.000 cd/m2. La cantidad de corriente necesaria para alcanzar altos niveles de brillo limita el tamaño de la pantalla.
Con la matriz activa, un transistor de película delgada de silicio policristalino en el sustrato aborda cada píxel individualmente. Las pantallas de matriz activa no tienen las limitaciones de altas corrientes o problemas actuales.
Las empresas Gyricon [10] y E-Ink [11, 12] han desarrollado una pantalla con transistores de forma flexible, con ayuda de la cual se controlan los parámetros de la imagen. La pantalla consta de láminas de material elástico de capa fina rellenas de esferas de dos colores [10] (Fig. 7).
Fig. 7. Estructura expositora con perlas electrostáticas de dos colores
Cada esfera está ubicada dentro de una cavidad separada llena de aceite de silicona, lo que permite que la esfera gire. Las esferas están hechas de manera que un hemisferio sea blanco y el otro hemisferio sea de un color diferente (generalmente negro). Ambos hemisferios tienen cargas constantes opuestas. En una posición estable, las esferas son atraídas hacia un lado de la cavidad y presionadas contra la pared. Cuando se aplica un campo eléctrico a la lámina elástica, la esfera se desprende de la pared y gira para establecer un campo de equilibrio. Si la imagen se convierte en una imagen de la distribución de voltaje a través de los transistores, el campo eléctrico estimula la rotación de las esferas. La luz reflejada por ellos reproduce esta imagen. Cada esfera tiene un diámetro de unas 30 micras. La superficie de la pantalla del monitor tiene un amplio campo de visión con luz reflejada (como el papel). En este caso, el contraste es de aproximadamente 12:1. La pantalla consume muy poca energía.
Referencias
1. Cabanski W., Breiter R., Mauk K-H.. Sistema de imágenes térmicas protagonizado por estrellas miniaturizadas de alto rendimiento. – SPIE Proc., vol. 4028 (2000), págs. 208 – 219.
2. Cabanski W., Breiter R., Koch R. et al. Módulos de detección IR de matriz de plano focal de tercera generación en AIM — SPIE Proc., vol.4369 (2001), págs.547 – 558.
3. Greiner M.E., Davis M., Sanders J.G. Mejoras en el rendimiento de la resolución en sistemas de imágenes fijas que utilizan microescaneo y un factor de relleno reticulado seleccionable InSb FPA-Report Cincinnati Electronics Corporation SF 298, Mason, Ohio, EE. UU. Conferencia IRIS, febrero de 1999, págs. 1 – 15.
4. Hoelter T.R., Retronio S.M., Carralejo R.J. et al. Sistemas de cámaras IR flexibles de alto rendimiento. – SPIE Proc., vol. 3698 (1999), págs. 837 – 846.
5. Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Tendencias en el desarrollo de sistemas infrarrojos de “tipo mirada”.//Equipos especiales, 2004, No. 1, p. 24 – 37.
6. Hardin W.. Tecnología en exhibición. — Revista SPIE OE, diciembre de 2001, p.p. 18 – 19.
7. Chinnok C. Revisando el mercado de micropantallas cercanas al ojo. – Revista SPIE OE, junio de 2002, p.p. 18 – 19.
8. Lewotsky K. La disrupción se vuelve práctica. – Revista SPIE OE, junio de 2002, p. 13.
9. Leadbeater M. Los polímeros hacen brillar la luz. — Revista SPIE OE, junio de 2002, p.p. 14 – 15.
10. Sprague R. El papel electrónico combina programabilidad, portabilidad y reutilización. Revista SPIE OE, diciembre de 2001, p.30.
11. http://vokruginfo.ru/news/news1132.html.
12. http://cnews.ru/newtop.