ТАРАСОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук
ЯКУШЕНКОВ Юрий Григорьевич, доктор технических наук, профессор
НЕКОТОРЫЕ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
Постоянно увеличивающаяся потребность в новых оптико-электронных системах, используемых в самых различных отраслях науки и техники, предоставляет их разработчикам широкие возможности для творчества. Это относится и к инфракрасной (ИК) технике и ее важной составной части – тепловизионным системам (ТВС). Появление в последнее время новых технологий и создание на их основе современных компонентов и модулей зачастую позволяет разработчикам по-новому подходить к проектированию этих систем и, как следствие, достигать принципиально новых качественных результатов.
Основная задача, которую решают разработчики ТВС – визуализация изображений, создаваемых оптическими системами в ИК-области спектра электромагнитного излучения, т.е. на длинах волн более 0,76 мкм.
В конце 1990-х г.г. эти системы вступили в новый важный этап своего развития, что было вызвано созданием матричных (двумерных) многоэлементных приемников излучения (МПИ), позволивших реализовать “смотрящий” режим работы этих систем, т.е. отказаться от оптико-механических сканирующих устройств. При этом особенно важным оказалось создание малогабаритных неохлаждаемых инфракрасных матричных МПИ достаточно большого формата, а также соответствующих ПЗС- и КМОП-схем считывания и первичной обработки сигналов.
Переход от систем с оптико-механическим сканированием к системам смотрящего” типа (с электронным сканированием) дал ощутимые преимущества, но одновременно привел к необходимости учитывать ряд новых факторов и решать не встречавшиеся ранее задачи и даже проблемы, связанные, например, с резким увеличением объема информации, которую нужно обрабатывать в реальном масштабе времени, с особенностями пространственной и временной выборки высокого разрешения и ряд других проблем.
Появление ложных низкочастотных составляющих в спектре дискретизированного сигнала (наложение спектров) из-за дискретной структуры МПИ в инфракрасных системах (ИКС) смотрящего” типа является принципиальным недостатком таких систем, поскольку оно приводит к искажению спектра изображения, т.е. видеосигнала, а затем и сигнала на экране системы отображения. Эффективным средством борьбы с наложением спектров является микросканирование, которое осуществляется путем сдвига изображения (кадра) относительно МПИ на какую-то часть периода расположения элемента МПИ и последующей выборки этого изображения (субкадра или субизображения). Затем полученные цифровые изображения (субкадры) объединяются, образуя один полный кадр. В известных системах наиболее часто используется сдвиг на половину периода расположения элементов МПИ по каждой координате, т.е. четырехпозиционное микросканирование [1, 2]. При этом достигается удвоенная частота выборки, по сравнению с частотой, определяемой периодом расположения элементов МПИ, а пространственно-частотная характеристика всей системы остается прежней, т.е. соответствует геометрооптическим параметрам МПИ. Наложение спектров и сопутствующие искажения при этом заметно ослабляются, т.е. высокие пространственные частоты в спектре изображения (или соответствующие им мелкие детали) успешно разрешаются. Микросканирование позволяет снизить требования к МПИ, т.е. использовать в системе МПИ меньшего формата с большим периодом пикселов или объектив с меньшим фокусным расстоянием, что важно в связи со стремлением упростить конструкцию и уменьшить стоимость как МПИ, так и ИКС в целом.
Микросканирование повышает геометрическое разрешение МПИ пропорционально числу позиций (смещений), которые занимает изображение относительно растра МПИ, при сохранении формата МПИ и величины углового поля теми же, что и в системе без микросканирования. Поэтому оно оказывается весьма эффективным в системах, где используется МПИ со сравнительно небольшим коэффициентом заполнения.
Траектория сдвигов при микросканировании может быть самой различной. Например, достаточно распространенной на практике является четырехпозиционная траектория: исходное положение, вправо на 1/2 пиксела МПИ, вниз на 1/2 пиксела, влево на 1/2 пиксела, вверх на 1/2 пиксела, т.е. в исходное положение.
Число позиций МПИ, участвующих в одном цикле (периоде) микросканирования, часто определяется необходимостью иметь число отдельных выборок изображения, равное формату системы отображения. Таким образом, с помощью микросканирования можно приводить в соответствие форматы МПИ и системы отображения.
Хотя микросканирование увеличивает частоту выборки и, следовательно, позволяет увеличить пространственное разрешение, оно одновременно приводит к уменьшению времени накопления tи.
Микросканирование увеличивает частоту выборки статического изображения. Но оно не может улучшить ни оптическую передаточную функцию системы, предшествующей МПИ, ни передаточную функцию всей системы.
Положительный эффект от микросканирования ослабляется или вообще пропадает, если процесс сканирования нестационарен во время интегрирования приемником сигнала, создаваемого изображением (во время накопления заряда). Относительное перемещение изображения и МПИ в течение времени пребывания элементов изображения на элементах МПИ приводит к размытию изображения. Общая передаточная функция всей ИКС ухудшается, если имеет место несоответствие пикселов МПИ, осуществляющих выборку, и пикселов системы отображения (дисплея).
В системах с микросканированием время накопления зарядов должно быть достаточным для создания требуемого отношения сигнал/шум для каждого промежуточного изображения, т.е. субизображения, получаемого при каждом сдвиге изображения. Это может ограничивать частоту кадров, образующихся в системе отображения. Поэтому наиболее просто обеспечить нужную частоту кадров интегрированного изображения в системах с МПИ, имеющих достаточно большую квантовую эффективность, что позволяет иметь меньшее время накопления зарядов и считывания сигналов с элементов МПИ. Максимально допустимый период кадров, наблюдаемых с помощью системы отображения, приближенно можно определить как произведение требуемого времени накопления и считывания зарядов в ячейке фотоприемного устройства (ФПУ) и числа позиций, занимаемых изображением при микросканировании. Так, при частоте кадров 30 Гц и четырехпозиционном микросканировании (сдвиг изображения по каждой оси на 0,5 периода расположения пикселов) частота микросканирования составляет 120 Гц, а соответствующее время накопления зарядов – 8,33 мс.
Микросканирование может уменьшить влияние наложения частот в спектре первого порядка, но это явление сохраняется и для спектров высших порядков. Предлагалось для устранения наложения спектров высших порядков использовать дополнительные ступени микросканирования, но практического применения эти предложения не нашли из-за сложности конструктивного осуществления, ограничения времени и увеличения сложности обработки образующихся при этом сигналов. При микросканировании время получения изображения возрастает пропорционально числу ступеней (этапов) микросканирования, а частота кадров обратно пропорциональна этому числу. Главное же ограничение микросканирования, как уже отмечалось выше, состоит в его неэффективности в случае подвижных объектов, изображение которых нестабильно в течении времени обнаружения или распознавания. Поэтому, если достижение высокого пространственного разрешения не очень важно, но требуется устранение вредных побочных изображений, возникающих из-за наложения частот, то в случае достаточно ярких объектов часто используется не микросканирование, а предварительная пространственная оптическая фильтрация, в частности, искусственное размытие или расфокусировка изображений.
Наклонные вращающиеся плоскопараллельные пластинки применяются в качестве сканера в ТВС, разработанной фирмой AEG Infrafot-Module GmbH, Германия [2]. В этой системе используется МПИ на базе КРТ формата 384х288 с шагом пикселов 24 мкм и с микросканированием 2х2 пиксела (рис. 1).
Рис. 1. Четырехпозиционное микросканирование с помощью вращающегося диска
При частоте кадров 25 Гц и времени накопления до 2 мс здесь образуется выходное изображение формата 768х576, т.е. разрешение за счет микросканирования увеличено вдвое. Частота вращения диска с пластинками, равная 50 Гц, синхронизирована с частотой видеосигнала. Всякий раз, когда плоскопараллельная пластинка находится перед ФПУ в одной из 4-х позиций, система синхронизации выдает синхроимпульс в блок обработки изображений, который подает команду для начала накопления зарядов пикселами кадра 384х288. После накопления сигналы считываются и производится коррекция неоднородности. Затем, получив откорректированные 4 кадра от ФПУ, полное изображение формата 768х576 пикселов возвращается в быстродействующий процессор – блок обработки изображения.
Описанная в [2] система показала на практике возможность очень хорошей коррекции неоднородности отдельных элементов ФПУ, что принципиально важно для систем с микросканированием. Величина эквивалентной шуму разности температур D Тп не превышала 20 мК при времени накопления 1мс и диафрагменном числе объектива К = 2.
Еще одним примером ИКС смотрящего” типа с микросканированием является разработка фирмы Cincinnati Electronics Corporation системы на базе МПИ из InSb формата 256х256 элементов с коэффициентом заполнения 0,25 [3]. Применение четырехпозиционного микросканирования с пьезоэлектрическим приводом позволило при сохранении шага элементов МПИ 30 мкм и фокусного расстояния 250 мм увеличить частоту Найквиста с 4,16 мрад-1 до 8,33 мрад-1. При этом частота кадров сохранилась равной 30 Гц. Минимальная разрешаемая разность температур D Тр на частоте Найквиста 8,33 мрад-1 составила 100 мК.
Многие современные МПИ и входящие вместе с ними в состав ФПУ мультиплексоры, служащие для считывания сигналов с отдельных элементов МПИ, первоначально были разработаны в рамках проектов по созданию новых систем вооружения. При этом до недавнего времени каждый новый, разработанный под конкретный тип МПИ мультиплексор требовал разработки оригинальной схемы для обеспечения управления МПИ и ФПУ. При этом увеличивались сроки и стоимость разработки, а кроме того существовал риск совершения ошибки, т.е. выбора не оптимального решения.
Нужно также отметить, что совершенствование ряда важнейших показателей качества ИКС стало сдерживаться не столько трудностями улучшения параметров и характеристик МПИ, сколько ограничениями, вносимыми электронной схемой, в частности, мультиплексором. В качестве примера можно упомянуть ограниченный динамический диапазон или чрезмерно большой выходной шум многих мультиплексоров.
В этой связи следует особо отметить важность разработки мультиплексоров стандартизированного ряда (indigosystems), имеющих общий интерфейс со схемой обработки сигналов, снимаемых с элементов МПИ (с обрабатывающей электроникой) и уже применяемых в ТВС, например ISC 9705 фирмы Indigo Syst. Corp. Благодаря применению гибкой, программируемой многоконвейерной архитектуры мультиплексора обеспечиваются высокие значения его параметров и возможность работы в различных режимах. Это позволяет без внешних регулировок использовать мультиплексор в достаточно простом режиме, используемом по умолчанию – сигнал в формате NTSC или PAL выводится на один выход. В программируемом командном режиме поддерживаются такие важные функции, как динамическое транспонирование изображения, работа с субкадрами, работа на несколько выходов при повышенных кадровых частотах и сканирование сигнала. В обоих режимах можно регулировать усиление и осуществлять считывание как с накоплением сигналов, так и путем их одновременного считывания со всех пикселей после накопления. Для МПИ большого формата в схеме мультиплексора предусмотрено большее число тактовых импульсов на кадр.
Обобщенная функциональная схема таких мультиплексоров представлена на рис. 2 [4], а функции и технические характеристики мультиплексоров (стандартные микросхемы считывания – ROIC) компании Indigo System Corp. представлены в табл. 1 и 2.
Рис. 2. Обобщенная функциональная схема мультиплексоров фирмы Indigo System
Таблица 1. Стандартые микросхемы считывания компании INDIGO SYSTEMS (функции)
Функции и технические характеристики могут изменяться без предварительного объявления
Таблица 2. Стандартые микросхемы считывания компании INDIGO SYSTEMS (ROIC) (технические характеристики)
Использование стандартного ряда мультиплексоров при проектировании и производстве приводит к разработке стандартной и единой для целого ряда ТВС обрабатывающей электроники и размещению ее в виде большой интегральной схемы (БИС) на едином кристалле с мультиплексором.
Анализируя эту и другие тенденции развития ИК-техники [5], можно прогнозировать появление в ближайшем будущем работающего в спектральных диапазонах 3…5 мкм и 8…12 мкм тепловизионного преобразователя (ТВП), на вход которого поступает ИК-излучение, преобразуемое в стандартный аналоговый и цифровой видеосигналы, а затем в видеоизображение на микродисплее, расположенном в той же единой конструкции. Габариты этого ТВП будут сравнимы с габаритами современных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) или гибридно-модульных преобразователей (ЭОП плюс ПЗС).
Прототип такого преобразователя разработан и изготовлен в ОАО ЦНИИ “Циклон” и представлен схематично на рис. 3. Прибор также содержит температурные датчики и специальные шторки для автокалибровки. В ближайшее время предполагается платы схемы обрабатки 5, 6, 7, а также плату схемы сопряжения 8 выполнить в виде отдельной микросхемы, которая в дальнейшем может быть совмещена с мультиплексором микроболометрической матрицы.
Рис. 3. Тепловизионный преобразователь изображения (ТВП), работающий в диапазоне 8 – 14 мкм:
1 – микроболометрическая матрица формата 320х240 пикселов;
2 – входное германиевое окно;
3 – герметик;
4 – корпус;
5, 6, 7 – платы схемы обработки сигналов;
8 – плата сопряжения блока схемы обработки и монитора;
9 – монитор;
10 – светоизлучающий экран монитора;
11 – контактные площадки для подачи напряжения и подключения интерфейса
Для полной реализации схемы такого преобразователя, т.е. для преобразования видеосигнала в изображение высокого качества, важно иметь высококачественный малогабаритный монитор – систему отображения, которой может быть микродисплей. Как известно, микродисплеи (миниатюрные дисплеи с высоким разрешением, разработанные для использования с увеличивающей оптической системой) обычно используются в проекционных системах, таких как переносные проекторы, виртуальные дисплеи видеоискателей видеокамер или нашлемные или наголовные (окулярные) дисплеи.
В настоящее время известно несколько разновидностей окулярных дисплеев: жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) с закреплением жидких кристаллов полиимидом и с использованием ультрафиолетовой обработки и ионно-лучевой бомбардировки; активные матричные электролюминесцентные микродисплеи (АМЭЛ) в цифровом и аналоговом исполнении, причем последние обеспечивают управление изменениями яркости и уровнем шума с помощью встроенной в их конструкцию электроники; органические светоизлучающие диоды (ОСИД), позволяющие создавать гибкие микродисплеи на пластиковых подложках и с высоким разрешением, причем как активные, так и пассивные [6, 7].
Представляется, что наиболее перспективными для новых ТВП являются микродисплеи на основе ОСИД, так как им свойственны высокая надежность, широкий диапазон рабочих температур, моментальное включение и нечувствительность к вибрациям. Большинство ОСИД имеет размер по диагонали менее 7 мм и разрешение на уровне 320х240 пикселов и выше. При этом стоимость такого дисплея вполне вписывается” в общую стоимость всего ТВП. Известны серийно выпускаемые фирмой Magin Corp. (США) и используемые в нашлемных ТВС дисплеи формата 800х600 пикселов на базе кремниевых пластин, содержащих всю управляющую электронику [7]. На рис. 4 показаны устройство и структурная схема управления такого ОСИД [8].
Рис. 4. Микродисплей на органических светоизлучающих диодах со схемой управления
В настоящее время разрабатываются более совершенные ОСИД – на светоизлучающих полимерах (СИП), являющихся основой плоских дисплеев следующего поколения. Они будут представлять собой тонкие облегченные конструкции с низким напряжением питания, малой потребляемой мощностью, высокой контрастностью, широким углом зрения и большим быстродействием.
Схема работы дисплея на светоизлучающих полимерах очень проста (рис. 5) [8].
Рис. 5. Схема работы дисплея на СИП.
Полимерные слои между двумя металлическими контактами, по крайней мере, один из которых прозрачен, соединяются между собой. При подаче напряжения больше порогового смещения (от 2 до 3 В) начинает протекать ток. Электроны движутся от катода к LUMO (самый низкий, незаполненный молекулярный орбитальный уровень) полимерного слоя, а дырки от анода к уровню HOMO (самый высокий, заполненный молекулярный орбитальный уровень), и структура излучает свет. Электрон, выходящий из катода, рекомбинирует с дыркой, излучая свет с длиной волны, определяемой шириной запрещенной зоны полимера. Благодаря высокой неупорядоченности, свойственной полимерным пленкам, проводимость в электролюминесцентных полимерах на несколько порядков ниже, чем у неорганических соединений, но их малая толщина (от 50 до 150 нм) позволяет рабочим напряжениям оставаться на низком уровне. Для анода обычно используется тонкий прозрачный проводящий слой из соединения индия и окиси олова, нанесенный на стеклянную или пластмассовую подложку (рис. 6). Катод может выполняться из кальция.
Рис. 6. Структура дисплея на СИП
Чтобы управлять яркостью изображения на дисплее, необходимо управлять током, проходящим через каждый пиксел. Для этого используются как пассивные, так и активные матрицы. С помощью пассивных матриц управляют перпендикулярно расположенными анодами и катодами – по строкам и столбцам, т.е. подают сигнал данных на столбцы при последовательной адресации строк. По мере возрастания числа строк в дисплее на каждый пиксел должен подаваться импульс более высокой яркости, который может превышать 20000 кд/м2. Значение тока, требуемое для достижения высоких уровней яркости, ограничивает размеры экрана.
При использовании активной матрицы тонкопленочный транзистор из поликристаллического кремния на подложке адресует каждый пиксел индивидуально. В дисплеях с активной матрицей нет ограничений, связанных с большими токами, проблемами тока.
Компаниями Gyricon [10] и E-Ink [11, 12] разработан дисплей с транзисторами на гибкой основе, с помощью которых осуществляется управление параметрами изображения. Дисплей состоит из листов тонкослойного эластичного материала, наполненного двухцветными сферами [10] (рис. 7).
Рис. 7. Структура дисплея с двухцветными электростатическими шариками
Каждая сфера расположена внутри отдельной полости, заполненной кремниевым маслом, что позволяет сфере вращаться. Сферы изготовлены так, что одно полушарие имеет белый цвет, а второе полушарие – другой цвет (обычно черный). Оба полушария имеют противоположные постоянные заряды. В устойчивом положении сферы притягиваются к одной стороне полости и прижимаются к стенке. Когда к эластичному листу прикладывается электрическое поле, сфера открепляется от стенки и поворачивается, так чтобы установить равновесное поле. Если изображение преобразовать в картину распределения напряжений на транзисторах, электрическое поле стимулирует поворот сфер. Свет, отраженный от них, воспроизводит это изображение. Каждая сфера имеет диаметр порядка 30 мкм. Поверхность экрана монитора имеет широкий угол поля зрения в отраженном свете (как бумага). При этом контрастность составляет величину порядка 12:1. Дисплей потребляет очень малую мощность.
Литература
1. Cabanski W., Breiter R., Mauk K-H.. Miniaturized high performance starring thermal imaging system. –SPIE Proc., vol. 4028 (2000), p.p. 208 – 219.
2. Cabanski W., Breiter R., Koch R. et al. Third generation focal plane array IR detection modules at AIM — SPIE Proc., vol.4369 (2001), p.p.547 – 558.
3. Greiner M.E., Davis M., Sanders J.G. Resolution performance improvements in staring imaging systems using micro-scanning and a reticulated, selectable fill factor InSb FPA-Report Cincinnatti Electronics Corporation SF 298, Mason, Ohio, USA IRIS Conference, February 1999, p.p.1 – 15.
4. Hoelter T.R., Retronio S.M., Carralejo R.J. et al. Flexible high performance IR camera systems. – SPIE Proc., vol. 3698 (1999), p.p 837 – 846.
5. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития инфракрасных систем “смотрящего типа.//Специальная техника, 2004, №1, с. 24 – 37.
6. Hardin W.. Tehnology on display. — SPIE OE Magazine, December 2001, p.p. 18 – 19.
7. Chinnok C. Revisiting the near-eye microdisplay market. – SPIE OE Magazine, June 2002, p.p. 18 – 19.
8. Lewotsky K. Disruption gets practical. – SPIE OE Magazine, June 2002, p. 13.
9. Leadbeater M. Polymers shine the light. — SPIE OE Magazine, June 2002, p.p. 14 – 15.
10. Sprague R. Electronic paper combines programmability, portability, and reusability. SPIE OE Magazine, December 2001, p.30.
11. http://vokruginfo.ru/news/news1132.html.
12. http://cnews.ru/newtop.