Dispositivos de visión nocturna de nueva generación…

Dispositivos de visión nocturna de nuevas generaciones..

DISPOSITIVOS DE VISIÓN NOCTURNA DE NUEVAS GENERACIONES

Los dispositivos de visión nocturna (NVD) están diseñados para observar y apuntar en la oscuridad, al anochecer y de noche. Los NVG aparecieron al final de la Segunda Guerra Mundial y desde entonces han recorrido un camino de desarrollo complejo. Han encontrado una amplia aplicación tanto en tecnología militar como civil. Su desarrollo se puede dividir en una serie de etapas asociadas con la aparición de ciertas generaciones de NVD. Cada generación posterior se diferenciaba de la anterior por un mayor rango de visión, mejor calidad de imagen, peso y dimensiones reducidos, mayor tiempo de funcionamiento, mayor resistencia a las interferencias de luz y una serie de otras ventajas. Hasta la fecha se conocen tres generaciones de NVG [1].

La característica principal que diferencia a las generaciones de NVD es su elemento principal: un convertidor electrónico-óptico (EOC), diseñado para convertir una imagen invisible para el ojo humano en visible y mejorar su brillo.

El diagrama del tubo intensificador de imágenes de tercera generación más avanzado se muestra en la Fig. 1, donde 1 fotocátodo con afinidad electrónica negativa (basado en GaAs) depositado sobre una ventana de entrada de vidrio; 2, 3 – placa de microcanales; 4 – pantalla aplicada a la ventana de vidrio de salida 5 (Fig. 1a) o a la placa de fibra óptica 6 (Fig. 1b) sin envolver la imagen para unirla a la matriz CCD de una cámara de televisión (TV), o a la fibra -placa óptica 7 (Fig. .1c) con la imagen girada 1800.

Fig. 1. Circuito intensificador de imágenes de III generación

Durante la última década, en los EE. UU. se ha desarrollado intensamente en el marco del programa OMNIBUS [2, 3] tubos intensificadores de imagen (y, en consecuencia, dispositivos de visión nocturna) de nueva generación. Este trabajo está siendo realizado por ITT Defence y Litton Systems con el objetivo de incrementar la sensibilidad integral del fotocátodo, la relación señal-ruido y la resolución del intensificador de imágenes de III generación (ver Tabla 1). El trabajo en los programas OMNIBUS III, IV permitió acortar el ciclo tecnológico de creación de tubos intensificadores de imagen de tercera generación y desarrollar nuevos modelos de la serie OMNI. Los mejores ejemplos de estos tubos intensificadores de imagen han logrado una resolución de hasta 84 líneas/mm, una relación señal-ruido de más de 23 y una sensibilidad del fotocátodo integrado de más de 2000 µA/lm. En consecuencia, el alcance de visión de los NVG ha aumentado 1,5 veces en comparación con los NVG tradicionales de tercera generación. Los nuevos tubos intensificadores de imágenes se denominan tubos intensificadores de imágenes de alta información de tercera generación”. A pesar de su alto costo (hasta 10 mil dólares por pieza), desde 1999 en los EE. UU., todos los tubos intensificadores de imagen de tercera generación han sido reemplazados por tubos intensificadores de imagen de alta información. En algunas fuentes literarias, estos intensificadores de imágenes incluso se clasifican como de cuarta generación. Sin embargo, de hecho, los tubos intensificadores de imagen de cuarta generación incluyen los productos cuyos parámetros se muestran en la tabla, así como las últimas muestras de tubos intensificadores de imagen de Litton: su relación señal-ruido supera 33 y la sensibilidad integral del el fotocátodo es 2200 μA/lm.

Tabla 1.

Físicamente, estos logros están asociados con la eliminación de la película de barrera iónica en el tubo intensificador de imagen de cuarta generación, que se depositó sobre una placa de microcanales (MCP) para proteger el fotocátodo del tubo intensificador de imagen de los efectos de los iones que surgen. en este plato. Sin embargo, la misma película provocó la reflexión del flujo de electrones que se movía desde el fotocátodo del tubo intensificador de imagen hasta la placa de microcanal. Esto provocó dispersión de electrones, redujo la relación señal-ruido, deterioró la resolución del tubo intensificador de imagen y limitó el rango dinámico de su funcionamiento (es decir, redujo los límites de iluminación operativa del fotocátodo). Además, los tubos intensificadores de imágenes de cuarta generación utilizan MCP de película delgada con un diámetro de microcanal muy reducido de 6 µm en lugar de los tradicionales 12 µm. Esto llevó a un aumento de la resolución a 64 — 84 líneas/mm. Una característica distintiva del tubo intensificador de imagen de cuarta generación es también la presencia de una fuente de alimentación de alto voltaje cerrada, que cambia automáticamente el ciclo de funcionamiento en modo de pulso de acuerdo con la iluminación externa [2]. El modo de pulso no sólo amplía el rango dinámico del tubo intensificador de imagen y, en consecuencia, de los dispositivos de visión nocturna en una amplia gama de cambios en la iluminación externa, sino que también suprime el ruido. El grado de atenuación es proporcional al ciclo de trabajo de la fuente de alimentación de alto voltaje en modo pulsado. Gracias a esto, la relación señal-ruido puede llegar a 100 o más.

Un ejemplo específico de NVG de cuarta generación son las gafas de visión nocturna AN/AVS-9 de ITT (EE. UU.) (foto 1) [4]. El NVG está equipado con un intensificador de imágenes de cuarta generación. ITT ha firmado un contrato con la Marina de los EE.UU. por un importe de 43 millones de dólares para el suministro de NVG de cuarta generación. Los principales parámetros del dispositivo AN/AVS-9: ángulo de campo de visión 400, peso sin soporte para cabeza 540 g, con soporte – 780 g, voltaje de alimentación 3 V, rango de temperatura de funcionamiento -32 – +52 0C [5]. Las gafas están diseñadas para pilotar helicópteros.

Foto 1. Gafas de visión nocturna
AN/AVS-9 de ITT , EE.UU.

El Instituto Conjunto de Física de Semiconductores SB RAS también ha desarrollado tecnología intensificadora de imágenes de cuarta generación [6]. En lugar de una placa de microcanal tradicional, utiliza un dínodo semiconductor que funciona para “disparar” un haz de electrones desde el fotocátodo del tubo intensificador de imágenes. Según los desarrolladores, esto permite obtener una alta relación señal-ruido y una protección significativa contra las interferencias luminosas con una vida útil del intensificador de imagen de hasta 50.000 horas.

Por lo tanto, en la actualidad no existe una idea clara de qué se debe considerar un intensificador de imagen y, en consecuencia, un NVG de cuarta generación. En este sentido, es necesario seleccionar el criterio más importante para clasificar los nuevos tipos de NVG desde el punto de vista de la posibilidad de clasificarlos como de cuarta generación. Parece que tal criterio es un cambio en la sensibilidad del fotocátodo a la región infrarroja (IR) del espectro.

Actualmente, los fotocátodos tradicionales basados ​​en GaAs instalados en tubos intensificadores de imágenes de tercera generación funcionan en la región espectral de 0,4 a 0,9 μm (Fig. 2, curva 1). Sin embargo, en los últimos años se han creado fotocátodos con afinidad electrónica negativa basados ​​en la estructura InGaAs – InGaAsP, que operan en la región espectral de 0,4 – 1,1 μm. En particular, Varian Associates (EE.UU.) ha desarrollado tres tipos de fotocátodos: con un emisor directo basado en InGaAsP tipo p con un rendimiento cuántico del 2,7%, que es 10 20 veces mejor que el fotocátodo S-1 de oxígeno-cesio, basado en una heterounión híbrida InP/InGaAsP de tipo p con un rendimiento cuántico de hasta el 10%, basada en una heterounión InGaP/InGaAs de tipo p con un rendimiento cuántico de 20 – 30%. El mayor éxito lo logró la empresa Litton, que creó un tubo intensificador de imagen con un fotocátodo también basado en InGaAs, pero con un alto nivel de dopaje con indio, hasta un 55% [7]. En la figura. La Figura 3 muestra las curvas de sensibilidad espectral de los fotocátodos de tubo intensificador de imágenes Litton. De la Fig. 3 se puede ver que cuando se dopa con indio hasta un 55%, la región de sensibilidad espectral del fotocátodo del tubo intensificador de imagen se desplaza a la región espectral por encima de 1,6 μm. Este cambio en la sensibilidad a la región del infrarrojo cercano del espectro permite observar en los NVD la radiación de los telémetros láser designadores de objetivos más comunes actualmente que operan a una longitud de onda de 1,06 µm. Pero la principal ventaja es que en la región cercana del espectro el nivel de iluminación nocturna natural es significativamente mayor, cuya distribución espectral está representada por la curva 1 en la Fig. 2. Aquí se muestra la curva 2 de la sensibilidad del fotocátodo del tubo intensificador de imágenes de III generación y la curva 3 de la sensibilidad del tubo intensificador de imágenes con un fotocátodo basado en InGaAs. La ventaja de un intensificador de imágenes de este tipo es obvia. Se le da el nombre de generación III+” (Near IR Gen III). Estos tubos intensificadores de imagen se instalan en las gafas de visión nocturna AN/AVS-6 (ANVIS) y AN/PVS-7B de Litton [8, 9], destinadas al pilotaje nocturno de helicópteros, así como en un visor nocturno para el AN/Fusil de asalto PVS-13 de la misma empresa (foto 2) [8]. Pero el visor nocturno AN/PVS-14 (foto 3) para armas individuales de ITT ya tiene instalado un intensificador de imagen de cuarta generación [10]. La mira tiene un aumento de 6X, un ángulo de campo de visión de 5.630, un alcance de 700 m, un peso de 1,9 kg, dimensiones totales de 317x107x107 mm, voltaje de alimentación de 3 V, rango de temperatura de funcionamiento -51 — +52 0C [8 ].

Arroz. 2. Curvas de sensibilidad espectral

Fig. 3. Curvas de sensibilidad espectral
de fotocátodos de tubo intensificador de imagen de Litton, EE. UU.

Foto 2. Vista nocturna
AN/PVS-13 desde Litton, EE. UU.

Foto 3. Mira nocturna
AN/PVS-14 de ITT, EE.UU.

Dado que los intensificadores de imágenes de generación III+ son completamente intercambiables con los intensificadores de imágenes de generación III y II (II+), el peso y las dimensiones de los NVG de nueva generación no lo hacen. difieren de los NVG de generación III.

Sin embargo, el problema más urgente es la creación de una generación de NVD con una región espectral de trabajo desplazada al rango de 1,4 a 1,8 μm. La creación de un intensificador de imágenes para tales NVG está prevista en el programa OMNIBUS VI [2]. Consideremos qué ventajas ofrece esta región del espectro para los NVD. Para hacer esto, usaremos los resultados del trabajo [11].

El valor medio de la iluminación nocturna natural en una noche sin luna para la región espectral 0,4 – 0,9 μm (fotocátodo de las generaciones II, II+, III de tubos intensificadores de imagen) alcanza (1,5 – 3)x10-9 W/cm2 μm, y en la región espectral 1, 4 – 1,8 µm – (1,5 – 2)x10-7 W/cm2 µm, es decir dos órdenes de magnitud mayor. Además, la transparencia de la atmósfera mejora: con un rango de visibilidad meteorológica de 10 km, la transmitancia de una atmósfera de 1 km de espesor a una longitud de onda de 600 nm es de 0,72, y en el centro de la región espectral de 1,4 x 1,8 μm es de 0,93. . Al mismo tiempo, el brillo de la neblina atmosférica disminuye en más de un orden de magnitud en la región espectral de 1,4 a 1,8 micrones en comparación con la región visible del espectro. El valor de contraste entre el objeto observado y el fondo en esta región espectral es más estable y entre 1,4 y 1,5 veces mayor que en la región espectral de 0,4 a 0,9 μm. Además, si en esta región del espectro la iluminación nocturna varía de 10-5 a 2,5×10-9 W/cm2, entonces en la región de 1,4 — 1,8 micrones de 1,6×10-4 a (3 — 4)x10- 7 W/cm2 en las mismas condiciones de iluminación, es decir en casi dos órdenes de magnitud. El porcentaje de iluminación durante todo el año para la iluminación nocturna natural en el rango de 5×10-3 — 5×10-4 lux para la región espectral de 1,4 — 1,8 micrones también es casi 2 veces mayor que para 0,4 — 0,9 micrones [ 11].

En la región espectral de 1,4 — 1,8 µm es posible trabajar hasta cierto punto con algo de humo y polvo, así como visualizar la radiación de los modernos designadores de objetivos láser y telémetros que funcionan en longitudes de onda de 1,55 µm y 1,7 µm.

El uso de NVG que operan en el rango espectral de 1,4 a 2,0 µm para desenmascarar objetos es muy eficaz. En la figura. La Figura 4 muestra las curvas de reflectividad del uniforme de un exsoldado de la URSS (curva 1), del uniforme de un soldado estadounidense (curva 2) y de la vegetación natural (curva 3) [12]. De la Fig. La Figura 4 muestra que en la región espectral de 1,4 — 2,0 micrones, la diferencia en la reflectividad de los uniformes permite no sólo detectar a un soldado sobre un fondo verde, sino también distinguir a un amigo de otro.

Fig. 4. Curvas de reflectividad de los uniformes de los soldados

Se sabe que el camuflaje permite camuflar varios objetos en el contexto del espacio circundante. Sin embargo, el camuflaje diseñado para el espectro visible puede no ser eficaz para la región espectral de 1,4 a 1,8 micrones. Para ella, el patrón de camuflaje desaparece y se revela la silueta de un objeto camuflado [12].

En la región espectral de 1,4 a 1,8 micrones se pueden ver en la niebla y detectar rastros de hielo en los techos de los aviones en los aeropuertos. Es como hielo negro en las carreteras. No se puede ver en la región visible del espectro, pero se puede ver en la región espectral de 1,4 a 1,8 micrones. En esta zona se pueden encontrar pinturas anteriores escondidas bajo una capa de pinturas al óleo. Esto se logra debido al hecho de que muchos pigmentos en pinturas al óleo que colorean la luz en la región visible del espectro son transparentes en la región de 1 a 2 micrones [12].

Dejemos que Consideremos ahora las formas de implementación práctica de NVD de nueva generación, que operan en la región espectral de 1,4 — 1,8 micrones.

Una de las formas, como ya se mencionó, es crear un tubo intensificador de imagen con un fotocátodo a base de InGaAs con un alto nivel de dopaje con indio (ver Fig. 3).

Otra forma es crear un tubo intensificador de imagen con un fotocátodo basado en barreras Schottky, el llamado fotocátodo TEP (TER — Transferred Electron Photocathode) [11]. En la figura. La Figura 5 muestra la curva de sensibilidad espectral del fotocátodo TEP (curva 1) en comparación con la curva de sensibilidad de un fotocátodo intensificador de imágenes convencional de III generación [13]. Teniendo en cuenta la menor sensibilidad del fotocátodo TEP, parece recomendable su uso en una cámara de TV basada en un CCD con bombardeo electrónico [13]. En la figura. La Figura 6 muestra un diagrama de la construcción de dicha cámara de TV, donde 1 es un fotocátodo TER; 2 – flujo de electrones; 3 volumen evacuado; 4 – matriz CCD; 5 amplificadores de vídeo; 6 – monitor de televisión de cristal líquido (LCD). Se ha desarrollado una cámara de televisión con formato de 2/3 de pulgada, 768×244 píxeles y una frecuencia de cuadros de 60 Hz. La resolución máxima de la cámara de TV es de 45 líneas/mm. Cuando la cámara de televisión funciona durante 12.000 horas, la sensibilidad del fotocátodo cae un 50%. La cámara de TV permite el modo estroboscópico. Esto permite utilizarlo junto con un iluminador láser pulsado que genera una longitud de onda de 1,54 µm como un sistema de TV de pulso activo. En este caso, los tiempos de subida y bajada del pulso estroboscópico no superan los 50 ns. Con un voltaje de 2 kV, la ganancia de la cámara es superior a 150. La cámara de televisión no tiene la placa de microcanal ni las piezas de fibra óptica típicas de los tubos intensificadores de imagen de tercera generación, que reducen la calidad de la imagen. Las dimensiones de la cámara de TV no superan los 50×15 mm. La señal de video de la salida de la matriz CCD (4) se amplifica en el amplificador de video (5) y ingresa al monitor de TV LCD (6), en cuya pantalla se crea una imagen de TV.

Fig. 5. Curvas de sensibilidad espectral

Fig. 6. Esquema de una cámara de TV basada en un fotocátodo TEP

La siguiente opción para un sistema de televisión que funciona en la región espectral de 1 a 1,8 micrones es una cámara de televisión basada en un vidicón IR. En particular, Hamamatsu (Japón) ha desarrollado una cámara de televisión de pequeño tamaño R5509 [14]. Su sensibilidad espectral se muestra en la Fig. 7 (curva 1). Aquí también se muestra la curva 2 de la sensibilidad espectral de una cámara de televisión similar (modelo 7869) de NPO “Electron” [15]. La cámara de TV está hecha sobre la base de un vidicon IR con un objetivo basado en PbO/PbS (o Pb-O-S) con una resolución de 600 líneas de TV con un tamaño del área de trabajo del objetivo de 9,5×12,7 mm. En EE.UU., Optical Systems Inc. desarrolló una cámara de televisión (modelo Find-R-Scope 85400/95345) (foto 4), que opera en la región espectral de hasta 2,2 μm [16]. La cámara de TV tiene una masa de 1,587 kg, dimensiones 305x89x114 mm, resolución de 550 líneas de TV, consumo de corriente de 1,3 A con una tensión de alimentación de = 24 V [14]. La cámara de televisión, además de una observación eficaz con una transparencia atmosférica reducida, permite visualizar la radiación del telémetro láser en longitudes de onda de 1,06, 1,55, 1,7 y 2,1 micrones. Esto no se proporciona por los otros medios mencionados anteriormente. Las curvas 3, 4 de la sensibilidad espectral de la cámara de televisión se muestran en la Fig. 7. Sin embargo, todas estas cámaras de televisión sólo funcionan en las noches de luna y en el crepúsculo. Su desventaja común es la presencia de un volumen de vacío.

Fig. 7. Sensibilidad espectral
Cámaras de TV basadas en vidicon IR

Foto 4. Cámara de TV Find-R-Scope 85400/95345
Optical Systems Inc., EE. UU.

En este sentido, lo más interesante es una cámara de televisión que utilice un fotodetector matricial basado en InGaAs con un número de elementos de 640×480 [17]. Emerging IR Technology (EE.UU.) ha creado una cámara de televisión de este tipo (modelo SU320-1.7RT) con un consumo de energía inferior a 0,1 W. La cámara de televisión opera en el rango espectral 0,9 – 1,7 o 0,9 – 2,0 µm [12]. Las dimensiones de la cámara no superan los 158x103x103 mm. Su capacidad de detección es superior a 1012 W-1Hz1/2cm. Sin embargo, para garantizar la ventaja de una cámara de televisión frente a un intensificador de imagen de tercera generación, su sensibilidad debe ser superior a 1014 W-1Hz1/2cm. Para lograr tal sensibilidad, es necesario un enfriamiento termoeléctrico a una temperatura del orden de 230 – 250 K. Sin embargo, actualmente se está trabajando para reducir el nivel de corriente oscura y aumentar la sensibilidad de la cámara de televisión. La dinámica de estos trabajos permite esperar que en un futuro próximo se alcance la sensibilidad especificada sin necesidad de refrigeración. La curva de sensibilidad espectral de la cámara de televisión se muestra en la Fig. 8, y su apariencia está en la foto 5. Dado que el tamaño de píxel de un fotodetector de matriz es de 25×25 micrones, y en las cámaras de TV industriales en matrices CCD este tamaño alcanza los 7×7 micrones [17], en los EE. UU. se está trabajando para crear detectores de TV hiperespectrales. . En este caso, se supone que una matriz de infrarrojos y una matriz de rango visible se combinarán en un chip [17]. Estos sistemas funcionan en diferentes rangos espectrales, variando los cuales, es posible identificar varios objetos por espectro.

Fig. 8. Curva de sensibilidad espectral de una cámara de televisión
utilizando un fotodetector matricial basado en InGaAs

Foto 5. Cámara de televisión SU320-1.7RT
de tecnología IR emergente , EE.UU.

Como es sabido, los dispositivos de imágenes térmicas se pueden caracterizar mediante un parámetro como NETD. Los dispositivos termográficos modernos basados ​​en matrices focales de HgCdTe e InSb tienen valores NETD del orden de 0,01 0C [12]. Sin embargo, hay una serie de aplicaciones en las que se requiere una sensibilidad significativamente menor, pero son más importantes el bajo peso, las dimensiones y el menor costo. Dichas aplicaciones incluyen la observación de objetos calentados, tanto en el campo de batalla como en entornos industriales. Para cámaras basadas en InGaAs en la región espectral de 0,9 – 1,7 μm, tenemos NETD del orden de 1 0C [10]. Esto es suficiente para observar muchos objetos que emiten calor. Un ejemplo de una cámara de este tipo es el modelo Merlin-NEAR (foto 6) de Indigo Systems (EE. UU.), que opera en la región espectral de 0,9 a 1,68 micrones. Tiene un tamaño de elemento de 30×30 micras, un campo de visión de 22×160 o 11×80, un peso de 1,6 kg y unas dimensiones de 102x114x203 mm. La cámara puede proporcionar mediciones de temperatura en el rango de 250 a 2000 0C [12]. El coste de las cámaras basadas en InGaAs no supera los 10.000 — 15.000 dólares y se espera que su precio baje a 5.000 dólares. Sin embargo, su funcionamiento no es más complicado que el de una cámara de vídeo doméstica.

Foto 6. Cámara Merlin-NEAR de Indigo Systems, EE. UU.

Estas cámaras utilizan el mismo tipo de monitor de televisión que el visor electrónico de las cámaras de vídeo domésticas. Sin embargo, en los últimos años se han logrado avances importantes en la creación de monitores de televisión de cristal líquido. Por lo tanto, la ideología de tales cámaras permite la creación de un convertidor de imágenes completamente de estado sólido (Fig. 9), que contiene una matriz de fotodetector (1), una unidad de procesamiento electrónico (2) y un indicador LCD (3). Como este último, se utiliza un modelo de indicador LCD en miniatura ProCam 1 del Rockwell Science Center (EE. UU.) con un número de píxeles de 1936×1088, un consumo de energía de no más de 0,18 W cuando se alimenta desde = 1,5 V y un rango dinámico de más de Se pueden utilizar 63 dB [18]. Los indicadores de TV de cristal líquido para fines militares tienen parámetros similares [19]. La unidad de procesamiento electrónico proporciona control sincrónico de las matrices del fotodetector y el indicador LCD, así como el procesamiento de imágenes en tiempo real.

Fig. 9

Por lo tanto, las perspectivas de crear nuevas generaciones de NVD están asociadas con el uso de convertidores de imágenes de estado sólido que operan en la región espectral de 0,9 — 2 micrones, lo que proporciona observación en una amplia gama de condiciones externas y nuevas funciones que están ausentes en los NVG basados ​​en intensificador de imágenes.

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