Тепловизионные приборы нового поколения. Тепловизоры.

Волков Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент
Ковалев Алексей Васильевич, доктор технических наук, член-корреспондент АЭН РФ
Федчишин Виталий Григорьевич, кандидат технических наук, действительный член РАЕН

ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ. ТЕПЛОВИЗОРЫ.

Тепловизионные приборы (тепловизоры) в настоящее время получили широкое распространение в науке и технике.

В области специальной техники эти приборы используются для наблюдения, разведки, прицеливания, охраны объектов, таможенного контроля, для криминалистики, вождения транспортных средств, поиска раненных на поле боя или пострадавших во время стихийных бедствий, для работы пограничных служб, обнаружения мин, контроля режимов работы машин и пр.

Стремительное развитие тепловидения привело к созданию приборов нового поколения, которым мы посвятим серию статей.

Принцип действия тепловизионных приборов или коротко- тепловизоров, основан на преобразовании естественного теплового излучения от объектов и местности в видимое изображение. Обязательным условием его формирования является наличие температурного контраста между объектом и местностью (фоном), а в пределах контура объекта – между его отдельными элементами.

Современные тепловизионные приборы способны воспринимать температурные контрасты до 0,05 – 0,1 К.

Тепловизионные приборы ( тепловизоры) имеют целый ряд достоинств: обеспечение больших дальностей видения независимо от уровня естественной освещенности, что позволяет им работать круглосуточно, возможность работы в условиях интенсивных световых помех и до определенной степени – при пониженной прозрачности атмосферы (туман, дождь, снегопад, пыль, дым и пр.).

Эти приборы способны воспринимать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого или ближнего инфракрасного (ИК) излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр. Это дает возможность наблюдать замаскированные или скрытые объекты.

Тепловизионные приборы (тепловизоры) с 60-х годов ХХ века развивались по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с механическими системами сканирования (развертки) изображения и приборов без механического сканирования.

Теоретические основы тепловидения и техника тепловизионных приборов (тепловизоров) достаточно подробно рассмотрены в литературе [1 – 6]. При этом можно выделить четыре поколения тепловизионных приборов [7].

Нулевое поколение основано на применении одиночных приемников излучения и двумерной развертки изображения с помощью сканирующей оптико-механической системы, первое поколение – на применении одномерных линеек фотоприемников и одномерной оптико-механической развертки изображения, второе поколение – на применении матриц фотоприемников в виде 2 – 6 линеек с ВЗН (временная задержка и накопление) и одномерной оптико-механической развертки изображения.

Новое третье поколение основано на применении “смотрящих” фокально-плоскостных двумерных многоэлементных матриц фотоприемников (FPA – Focal Plane Array) без использования оптико-механических систем развертки изображения [13].

Ниже речь пойдет о приборах третьего поколения.

Основными преимуществами этих приборов являются: отсутствие оптико-механической развертки изображения и соответственно малые масса, габариты и энергопотребление, бесшумная, работа, высокое отношение сигнал/шум и качество изображения, широкий динамический диапазон, возможность связи с современными компьютерами, видео- и ТВ-аппаратурой, цифровая обработка изображения в реальном масштабе времени.

Блок-схема тепловизионного прибора третьего поколения представлена на рис. 1 [8], где (1) – ИК-объектив, (2) – матрица ИК-фотоприемников, (3) – блок охлаждения или термостабилизации матрицы, (4) – предусилители, (5) мультиплексор, (6) – аналоговый корректор неоднородности сигналов, (7) – аналого-цифровой преобразователь, (8) – цифровой корректор неоднородности сигналов, (9) – корректор неработающих элементарных фотоприемников матрицы, (10) – блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой видеосигнала, (11) цифровой выход для подключения к персональному компьютеру, (12) – ТВ-монитор, (13) – окулярная система, (14) – тактовый генератор, (15) – первичный источник питания (аккумуляторная батарея).

Наличие элементов (3) и (13) необязательно и зависит от типа прибора.

Неоднородности сигналов элементарных фотоприемников матрицы предварительно корректируются в аналоговой форме, преобразуются в цифровую и корректируются с использованием данных, полученных в процессе калибровки.

Далее сигналы исправляются (возможно вычитание неработающих элементов матрицы с их заполнением) и направляются в блок формирования изображения (10). На его выходе информация выдается либо в качестве видеосигнала, направляемого в ТВ-монитор, либо в цифровой форме для передачи в персональный компьютер [8].

Для глубокого (криогенного) охлаждения матрицы (Т = 75 80 К) используется газовая холодильная машина, работающая по замкнутому циклу Сплит-Стирлинга. Для неглубокого охлаждения (Т = 150 – 250 К) или термостабилизации работы неохлаждаемой матрицы используется система термоэлектрического охлаждения.

Рис. 1. Блок-схема тепловизионного прибора третьего поколения

Современные фокально-плоскостные матрицы ИК-фотоприемников могут быть выполнены на основе различных материалов – халькогенидов свинца (PbS, PbSe), соединения кадмий-ртуть-теллур – HgCdTe (КРТ), антимонида индия (InSb), силицида платины (PtSi), примесных кремния (Si:x) и германия (Ge:x), многослойных структур с квантовыми ямами на базе GaAs/AlGaAs – так называемых QWIP детекторов (QWIP – Quantum Well Infrared Photodetector), микроболометров и пироэлектриков [8 – 12]. Основные параметры типичных образцов матриц ИК-фотоприемников даны в табл. 1.

Таблица 1

Основные параметры фокально-плоскостных ИК-матриц фотоприемников для тепловизионных приборов (тепловизоров) .

Примечание: ППИ пироэлектрический приемник излучения, МБ микроболометр

Внешний вид типичной ИК-матрицы показан на фото 1, а ее обрамление электронными платами с защитным окном из германия – на фото 2.

На фото 3 показаны типичные охладители, работающие по циклу Сплит-Стирлинга, на фото 4 приемный модуль, содержащий ИК-матрицу, охладитель и электронный блок, включающий буферный усилитель и аналого-цифровой преобразователь.

На фото 5 показан микропроцессорный модуль обработки видеосигнала, приемный модуль и модуль ИК-объектива как составные части тепловизионного прибора.

Подобный принцип построения приборов из стандартных модулей (SIM Standard Imaging Module) вообще характерен для современного тепловидения. Он обеспечивает высокую степень унификации приборов, упрощает сборку и наладку, снижает стоимость.

Фото 1. Внешний вид ИК-матрицы

Фото 2. ИК-матрица с защитным окном
из германия в обрамлении электронных плат

Фото 3. Охладители, работающие
по циклу Сплит-Стирлинга

Фото 4. Приемный модуль

Фото 6. Составные части тепловизионного прибора

В качестве материалов для пироэлектрических приемников излучения используются цирконаты свинца, ниобаты и титанаты бария-стронция, сополимеры виниленфторида. В качестве материалов для микроболометров используются модификации окислов ванадия V_xO_y, поликристаллический и аморфный кремний.

Принцип работы микроболометра заключается в изменении сопротивления материала при поглощении ИК-излучения.

Масса лучших тепловизионных приборов (тепловизоров)  на микроболометрах доходит до ~ 0,5 кг, а ИК-чувствительных модулей до 0,2 кг.

Чувствительность, характеризуемая NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – эквивалентная шуму разность температур для лучших приборов достигает порядка 50 мК при рекордном значении 20 мК [15], типичных – 100 мК, средних – 150 мК, бывает NETD = 300 – 400 мК. Формат матрицы в основном 320х240 пикселей, хотя известны матрицы с числом пикселей 640х480 с шагом 28 мкм [11].

Конкурентами приборов на микроболометрах являются приборы на пироэлектрических приемниках. В них при воздействии ИК-излучения меняется спонтанная поляризация или диэлектрическая проницаемость чувствительного конденсаторного элемента.

Хотя в таких приборах и используются механические модуляторы, приборы также не требуют охлаждения и работают в той же области спектра.

По чувствительности они несколько хуже: NETD не лучше 80 мК, типично 100 – 150 мК.

Используется чаще всего тот же формат 320х240 пикселей, но имеется и формат 640х512, а в тепловизионном бинокле LION – 512х256 [11].

В 90-е годы ХХ века появились тепловизионные приборы на QWIP-матрицах с высокой технологичностью, воспроизводимостью, однородностью параметров по элементам с форматом 256х256, 320х240, 320х256, 640х512 и др.

Чувствительность довольно высока: у лучших приборов NETD даже ниже 10 мК, типовых – 20 мК, средних – 35 мК. QWIP-матрицы обладают способностью управления спектральной чувствительностью и возможностью перейти в будущем от гибридных структур фокальных матриц к монолитным [11].

Первое место пока занимают приборы с использованием ИК-матриц на базе КРТ. Возможность их работы в области спектра 1 – 20 мкм является важным преимуществом.

Разработаны матрицы с форматом 640х480 пикселей. Чувствительность по NETD очень высока: для лучших моделей – 10 мК, типовых – 15 мК, средних – 20 мК [11].

Неохлаждаемые микроболометрические и пироэлектрические ИК-матрицы не имеют пока достаточно высокой чувствительности.

Однако существуют реальные возможности повышения их NETD до 10 мК (при условии использования ИК-объектива с относительным отверстием 1:1) и уменьшения размеров элементарного фотоприемника матрицы до теоретических пределов – 20 мкм для области спектра 8 – 14 мкм.

Формат микроболометрических матриц в ближайшем будущем может достигать 960х1280 пикселей.

Фирма Sanders/Lockheed Martin (США) планирует довести массу таких ИК-матриц до 25 г [11].

В следующем номере читайте продолжение обзора тепловизионных приборов (тепловизоров)  третьего поколения.

Литература.

1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.
2. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1987.
3. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.
4. Криксунов Л.З., Падалко Г.А. Тепловизоры (справочник). Киев, Технiка, 1987.
5. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань, Унипресс, 1998.
6. Ковалев А.В., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня.//Специальная техника, 1999, 3, с. 13 – 18, 1999, № 4, с. 19 – 23.
7. Кощавцев Н.Ф., Федотова С.Ф. Состояние и перспективы развития техники ночного видения. Прикладная физика, 1999, вып. 2, с. 141 – 145.
8. Ерофейчев В.Г. Инфракрасные фокальные матрицы.//Оптический журнал, 1995, № 2, с. 12 – 20.
9. Агранов Г.А., Дахин А.М., Нестеров В.К., Новоселов С.К. Особенности получения и обработки ИК-изображений в матричных фотоприемниках с координатной адресацией на основе халькогенидов свинца.//Оптический журнал, 1996, № 9, с. 53 – 57.
10. Певцев Е., Чернокнижин В. Матричные ИК-приемники для малогабаритных тепловизионных камер.//Электронные компоненты. 2001, № 1, с. 32 – 36, 2001, № 2, с. 30 – 34, 2001, № 3, с. 12 – 20.
11. Ушакова М.Б. Тепловизоры на основе неохлаждаемых микроболометрических матриц: современное состояние зарубежного рынка и перспективы развития. ОНТИ ГУП “НПО “Орион”, М., 2001.
12. Breen T., Butler N., Kohin M., Marshall C.A., Murphy R., Parker T., Silva R. More Application of Uncooled Microbolometer Sensor. SPIE, Vol. 3446, 1998, pp. 530 – 540.
13. Pengelley R., Hewish M. In the heat of the night. Jane’s International Review. 2001, Vol. 34, No. 10, pp. 49 – 57.