Тепловизоры на рынке охранных систем.

Появление тепловизоров на рынке охранных систем имеет те же истоки, что и видеокамеры. И то и другое – продукты оборонной отрасли, в 1990-х гг. в результате конверсии хлынувшие на открывшийся рынок общедоступных систем безопасности. Только если камеры видеонаблюдения по качественным и особенно ценовым характеристикам весьма неплохо адаптированы к запросам и возможностям широкого круга потребителей, то тепловизоры остаются всё же в большой степени изделиями для специальных подразделений, особо охраняемых объектов и т. п., на оснащение и охрану которых могут быть выделены значительные средства. И дело здесь не в капризах рынка. Вопрос как в технических, так и в политических аспектах.
Хорошо известно, что тепловизоры фиксируют тепловое излучение, что обеспечивает возможность визуализации изображения не только в полной темноте, но и при густом тумане, в снег, дождь, за листвой деревьев (рис. 1а и 1б).

Излучение, фиксируемое тепловизорами
Тепловизоры фиксируют инфракрасное излучение дальней области спектра или так называемое тепловое излучение. Тепловым излучением обладают любые предметы, температура которых отличается от абсолютного нуля. Все предметы излучают тепловое (инфракрасное) излучение с несколько разной длиной волны, т. е. с разной энергией. Это и позволяет идентифицировать объекты, а, следовательно, затем их визуализировать. Поэтому тепловизор фиксирует объекты даже в абсолютной темноте, никакой вообще. даже минимальной фоновой подсветки для работы тепловизора не требуется. Инфракрасное (не видимое человеческому глазу) или тепловое излучение делится на коротковолновое с длиной волны λ = 0,76–2,5 мкм, средневолновое λ = 2,5–50 мкм и длинноволновое λ = 50–2000 мкм. Напомним, что видимое излучение,
часто называемое светом, – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Оно фиксируется камерами видеонаблюдения. Это излучение характеризуется длинами волн в диапазоне от 380 нм с энергией 3,1 эВ до 760 нм с энергией 1,6 эВ. То есть чем больше длина волны излучения, тем меньше его энергия. Максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зеленой» области 550 нм, на который приходится максимум чувствительности глаза.

Чувствительный элемент тепловизоров
Тепловизионное наблюдение, как и наблюдение в видимом спектре излучения с помощью столь широко применяемых видеокамер, основано на применении чувствительных матриц. Оба эти направления берут свое начало в оборонном комплексе. В 80–90-е гг. XX в. благодаря интенсивному развитию микроэлектроники были созданы чувствительные к излучению матрицы элементов, позволяющие визуализировать изображения предметов, с которых на эти матрицы попадает излучение без использования электромеханических сканирующих устройств.
Как известно, все чувствительные к излучению приемники по принципу действия можно разделить на две большие группы: тепловые и фотонные.
Фотонные приемники подразделяют на детекторы, основанные на:
а) внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи);
б) внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т. п.).

Типы тепловизоров
Тепловизоры подразделяются по типу чувствительного элемента.
В тепловизорах с так называемым тепловым чувствительным элементом используются в качестве чувствительного элемента болометры.
В тепловизорах с чувствительным элементом на основе внутреннего фоточувствительного элемента используются в качестве чувствительного элемента полупроводниковые чувствительные матрицы из материалов, чувствительных к дальней инфракрасной области спектра.
Для начала охарактеризуем эти чувствительные элементы в общих чертах.
Сравнение чувствительности тепловых фотоприемников и фотоприемников на основе полупроводниковых фоточувствительных матриц на основе внутреннего фотоэффекта приведено на рис. 2 (1 – тепловые приемники, 2 – фотонные приемники).

В силу объективных причин, связанных с особенностями физических процессов работы микроболометрических элементов (поглощение широкополосного излучения и высокий уровень шумов), обнаружительная способность этих приборов на порядки меньше, чем обнаружительная способность полупроводниковых фоточувствительных матриц, работающих на основе внутреннего фотоэффекта, чувствительных к излучению с определенной длиной волны.
Чтобы оценить различия между тепловизорами, изготовленными на тех и других чувствительных элементах, оценим их обнаружительную способность.

Обнаружительная способность полупроводниковых фоточувствительных элементов колеблется в пределах 109–1015 см•Гц1/2Вт-1. Обнаружительная способность болометров колеблется в пределах 107 – 108 см•Гц1/2Вт-1. Помимо того что само по себе это очень существенное различие, из сравнения данных величин можно сделать вывод, тепловизор с каким чувствительным элементом нужно использовать при фиксировании объекта, расположенного на различных расстояниях. Болометры применяются в ИК-системах наблюдения и распознавания объектов на небольших расстояниях (10–1500 м). Изначально тепловизоры на основе болометров были разработаны для ИК-прицелов, биноклей, системы ИК-обзора для транспортных средств, беспилотных малогабаритных систем ИК-наблюдения.
Тепловизоры на основе полупроводниковых чувствительных элементов с высокой обнаружительной способностью обеспечивают «видимость» на десятки километров и применяются в серьезных комплексах.

Тепловизоры на основе тепловых фотоприемников для визуализации изображения (тепловизоры на основе болометров)
Принцип действия тепловых фотоприемников основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры вследствие поглощения оптического излучения. Существуют различные типы тепловых фотоприемников, основанных на различных эффектах. Среди них наиболее распространены:
а) болометры, использующие изменение сопротивления тонкой металлической, полупроводниковой или сверхпроводящей пленки;
б) термоэлектрические детекторы типа термопар или термостолбиков, использующие эффект возникновения термо-ЭДС на контактах двух металлов;
в) пироэлектрические приемники, основанные на пироэлектрическом эффекте в пироэлектрических, в том числе в ферроэлектрических кристаллах вблизи температуры Кюри;
г) оптико-акустические приемники (ОАП), называемые иногда пневматическими ИК-детекторами или элементами Голея, использующие периодическое расширение и сжатие газа при его нагреве от модулированного по амплитуде оптического излучения, поглощаемого тонкой мембраной.

Широко распространен метод, когда для измерений суммарной энергии излучения используют явление изменения электрического сопротивления термочувствительного элемента при его нагревании вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Этот принцип лежит в основе работы болометров. Чтобы с помощью болометра определить спектральный состав излучения, его используют вместе со спектрометром. Для спектральных измерений чувствительный элемент болометра изготавливают в виде двух одинаковых полосок. Излучение направляется на один элемент, а другой служит для компенсации изменений температуры окружающей среды и помех. Термочувствительный элемент обычно представляет собой тонкий (0,1–1 мкм) слой металла (никель, золото, висмут и др.), поверхность которого покрывается слоем черни, имеющим большой коэффициент поглощения в широкой области длин волн, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления (0,04–0,06 °С и более), или же диэлектрик. Исторически тепловые фотоприемники появились до полупроводниковых приемников оптического излучения, основанных на генерации электронно-дырочных пар. Болометры, как и все тепловые приемники, являются широкополосными приемниками излучения постоянной интенсивности. Так как в болометрах используются термочувствительный элемент, то они применяются именно как приемники инфракрасного (теплового) излучения. Стандартные размеры чувствительной матрицы болометров – 320 х 240 или 160 х 120, при этом разрешение получается одинаковым, но, как и в случае с видеокамерами, большая матрица позволяет захватить большую область обзора с наименьшими искажениями. Матрицы большего размера дорогие. Сейчас наметилась тенденция перехода к матрицам размера 640 х 480.
Технология создания болометров (VOx-микроболометров) за рубежом была разработана Honeywell в середине 80-х гг. прошлого века по контракту с US Department of Defense. С 1990-х этой технологией располагают компании Raytheon, Flir, а также некоторые другие – BAE Systems, L-3 Communications, DRS Technologies, InfraredVision Technologies Corp., NEC, Institut National d’Optique (INO), ULIS.
В настоящее время эти технологии постоянно развиваются, в научно-технических изданиях можно найти немало публикаций, посвященных проблемам усовершенствования и выбора оптимальной технологии.

Существо вопроса сводится к следующему. Как уже упоминалось, каждый элемент чувствительной матрицы микроболометра состоит из тонкого слоя, чувствительного к изменениям температуры и нанесенного на подложку для тепловой изоляции. Температурно-чувствительный элемент, например, на основе модификаций оксида ванадия VOx и два электрода связывают температурно-чувствительный материал и схему считывания на подложке. Излучаемая ИК-энергия, получаемая каждым детектором микроболометра, увеличивает температуру детектора. Изменение в температуре наводит изменение в сопротивлении каждого детектора, что регистрируется мультиплексирующей интегрированной схемой, размещенной на той же полупроводниковой подложке. Важным фактором достижения высоких технических характеристик микроболометрических матриц является выбор термочувствительного слоя, имеющего высокий температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и низкий уровень избыточного шума, а также обеспечивающего хорошее поглощение излучения в рабочей спектральной области. Чувствительность главным образом ограничивается теплопроводностью каждого пикселя. Скорость работы определяется отношением тепловой емкости и теплового сопротивления. Снижение тепловой емкости увеличивает не только скорость работы, но и тепловые флуктуации – шумы. Увеличение теплопроводности повышает скорость работы, но снижает чувствительность (а для того чтобы она возросла, нужно повышать ТКС и базовое сопротивление).

Высоким ТКС обладают полупроводниковые пленки. Подход к решению некоторых проблем VOx-микроболометров основан на применении аморфного (некристаллического) кремния в качестве термочувствительного материала. Аморфный кремний характеризуется более высоким значением ТКС, что дает более высокий уровень чувствительности. Однако аморфный кремний имеет более высокое базовое сопротивление, поэтому возникает проблема согласования высокого выходного импеданса с входным импедансом считывающих микросхем. Также полупроводникам присущи избыточные токовые шумы. В связи с этим выбор материала чувствительного элемента является многоплановой задачей.
Существенно увеличить коэффициент поглощения инфракрасного излучения позволяют многослойные, так называемые сэндвичные структуры. Сэндвичи, построенные в виде оптических резонаторов, поглощают 80% излучения на длине волны 8 мкм. Может быть достигнуто поглощение плоскостных структур 50–80% в полосе 8,5–10 мкм.
Изображение, визуализируемое с помощью тепловизоров на основе болометров, имеет такой же вид, как и изображение, получаемое с помощью тепловизоров, основанных на полупроводниковых матрицах.

Тепловизоры на основе внутреннего фотоэфффекта для визуализации изображения
При прохождении электромагнитного излучения (в том числе оптического) через полупроводники в них генерируются свободные электроны. При внутреннем фотоэффекте для собственного поглощения энергия фотона должна быть не меньше ширины так называемой запрещенной зоны полупроводника (Eg ), т. е. для собственного поглощения фотонов с образованием электронно-дырочных пар должно выполняться условие: h  Eg, где h – энергия фотона
- частота излучения (λ = с/ν)
h – постоянная планка.
Длинноволновая граница фотопроводимости определяется соотношением:
λ = hc/ Eg=1,24/ Eg(эВ)
Это максимальная длина волны излучения, которое будет поглощено полупроводником с данной шириной запрещенной зоны с образованием электронно-дырочных пар.

Различные полупроводниковые материалы имеют различную ширину запрещенной зоны: GaAs – 1,4 эВ, CdSe – 1,8 эВ, CdS – 2,5 эВ, ZnS – 3,7 эВ, Ge – 0,7 эВ, Si– 1,1 эВ, GaP – 2,3 эВ, SiC – 2,4–3,1 эВ и т. д. Следовательно, различные материалы преобразуют в электрические сигналы излучение с различной длиной волны. На рис. 3 приведены спектральные характеристики, а на рис. 4 – коэффициенты поглощения фотоприемников из различных полупроводниковых материалов. Мы видим, что все они чувствительны к излучениям с различной длины волны. Для фиксации видимого спектрального диапазона применяется самый дешевый и самый широко распространенный на земле материал – кремний. Фоточувствительные матрицы на его основе применяются в камерах видеонаблюдения. Максимум спектральной характеристики кремниевых приборов расположен на длине волны λ = 0,85 мкм – в ближней ИК-области.
То есть тепловизоры регистрируют дальнее невидимое глазу ИК-излучение с длиной волны 1,0–14 мкм, используя полупроводниковые материалы с соответствующей этому спектру излучения шириной запрещенной зоны, в основном антимонид и арсенид индия, PbSe, а также теллурит ртути и кадмия. Как уже упоминалось, любой предмет, температура которого отлична от абсолютного нуля, обладает тепловым излучением. Причем у различных предметов оно разное: излучают различное излучение лес, вода, дорога, стена, дом, человек, одежда человека, различные части лица человека и проч. Существуют даже тепловые карты местности (рис. 5). В этом состоит революционный прорыв, совершенный с разработкой тепловизоров.

Тепловизор не передает видимые контуры лица человека, а показывает распределение температуры на лице. Если, например, приложить руку к своей груди, а затем быстро убрать ее, тепловизионное изображение зафиксирует ваш образ с пятерней на груди. Человеческий глаз или обычная камера видеонаблюдения ничего подобного не отразит. То есть тепловизионное изображение часто отражает не очень привычную для нас картину. Вот почему широко распространены конструкции, содержащие обычную видеокамеру и тепловизор в одном корпусе и транслирующие два изображения.
Чем более чувствителен тепловизор, тем с большей точностью он фиксирует распределение температуры. Один из основных параметров, характеризующих качество тепловизоров, – обнаружительная способность.

Обнаружительная способность тепловизоров
Для инфракрасных детекторов наиболее часто применяемым критерием качества является удельная обнаружительная способность (D*).
D*= A1/2 B 1/2/ NEP [см Гц1/2/Вт]
— NEP – среднеквадратичная мощность падающего излучения, необходимая для получения отношения сигнал/шум, равного 1 в полосе частот 1 Гц;
— А – площадь фотоприемника, В – ширина полосы пропускания 1 Гц
На рис. 6 представлены типичные значения обнаружительной способности для фоторезисторов и фотодиодов. Фотодиоды обозначены ФД. На длинах волн вблизи 0,5 мкм наиболее высокой эффективностью обладает фоторезистор на CdS, в то время как на λ = 10 мкм предпочтительны фоторезисторы HgCdTe. Это очень дорогостоящие материалы, их соединения получаются в результате сложнейших технологических процессов. Поэтому стоимость фоточувствительных элементов на их основе на несколько порядков выше кремния, что в первую очередь отражается на конечной стоимости тепловизоров.
Обнаружительная способность инфракрасных фотодетекторов зависит от типа полупроводникового материала. Для различных типов кремниевых фоточувствительных матриц, применяемых для визуализации видимого излучения в видеокамерах, такого различия, разумеется, не наблюдается.
Необходимо отметить также, что для детектирования излучения в среднем, дальнем и сверхдальнем ИК-диапазонах фоторезисторы охлаждаются до низких температур (77 К и 4,2 К). При таких температурах уменьшаются тепловые эффекты, вызывающие тепловые шумы, и увеличиваются усиление и эффективность детектирования. Чаще всего для этих целей применяются электрические микрокриогенные установки, функционирующие по циклу Сплит – Стирлига. Это также вносит весьма существенный вклад в стоимость тепловизоров.

Разрешающая способность тепловизоров
Так же как и фоточувствительные матрицы камер видеонаблюдения, фоточувствительные матрицы тепловизоров имеют различное число чувствительных элементов (пикселей) и характеризуются различной разрешающей способностью. Чем больше разрешающая способность, тем дороже тепловизор. Современные технологии позволяют изготавливать полупроводниковые тепловизионные матрицы и с мегапиксельным разрешением. Однако их применение на гражданском рынке видеонаблюдения ограничено и ценовыми, и политическими факторами.

Тепловизоры на рынке охранных систем
С одной стороны, активно развивающийся российский рынок интересен для многих иностранных производителей. С другой – тепловизионные приборы являются прежде всего продуктом оборонного комплекса, поставка качественных изделий в Россию ограничена.
Очень часто в силу специфики теплового изображения, которое затрудняет идентификацию местности для визуального восприятия, для охранного наблюдения, для ведения боевых действий и специальных операций в корпус тепловизора вмонтирована цветная видеокамера. Пример такой конструкции приведен на рис. 9. На рисунке изображен тепловизор с видеокамерой марки Oculus RC-5126, транслирующий 9 к/с и 25 к/с как опцию, производимый фирмой Infinity и распространяемый в России фирмой СТА+. Цена такого тепловизора с короткофокусным объективом (5,8 мм) около 35 000 евро, а с длиннофокусным (25 мм) объективом – более 44 000 евро.
Фирма СВС производит прибор C-allview. Это смонтированные в одном корпусе качественная камера видеонаблюдения с ИК-подсветкой и тепловизор. Тепловизор в этом случае стоит более 000. На рис. 8 приведены изображения, полученные с помощью этого устройства.
Достаточно качественные израильские тепловизоры поставляет в Россию компания «Эл Би Скай Глобал» – подразделение холдинга Group LB. Эта компания поставляет тепловизоры с фоточувствительным элементом как на основе охлаждаемых полупроводниковых матриц, так и на основе болометров. Тепловизор марки EYE SES, поставляемый этой компанией, имеет фоточувствительный элемент на основе болометров, работающий в диапазоне длин волн от 7 мкм до 14,0 мкм, дальность действия – до 1 км. Тепловизор EYE SEC может быть установлен на управляемую поворотную платформу для обеспечения наблюдения в радиусе 360 градусов. Для обнаружения целей на расстоянии не менее 1 км и их последующем распознании на расстоянии порядка 500 м, тепловизор EYE SEC оснащается 75-мм моторизированной линзой, обеспечивающей поле зрения по горизонтали 6,1 градуса и по вертикали в 4,6 градуса. Стоимость этого тепловизора – порядка 000.

Эта же компания поставляет тепловизионный модуль POP (Plug-in Optronic Payload), который представляет собой охлаждаемый тепловизор 3-го поколения и цветную видеокамеру высокого разрешения, установленные в одном корпусе на гиростабилизированной поворотной платформе. Чувствительная охлаждаемая матрица на основе антимонида индия InSb фиксирует излучение с длиной волны 3–5 мкм. Дальность действия такого тепловизора – до 6 км, стоимость этого модуля – около 0 000.
На российском рынке охранных систем очень активную рекламную кампанию проводит американская компания Flir Systems, производящая тепловизоры. В эти тепловизоры встроены специальные ограничители. Уровень цен на тепловизоры этой фирмы колеблется в очень широком диапазоне. Так, тепловизор «Патриот» с дальностью действия 100 м и разрешением 160 х 120 пикселей стоит около 00, тепловизоры SR-19 и SR-100 имеют чувствительный элемент на основе оксида ванадия, обеспечивают видимость на небольшие расстояния и стоят около 000. Тепловизор «Посейдон», предназначенный для работы в условиях морской среды, размещен в герметичном корпусе, внешние элементы которого выполнены из нержавеющих материалов с повышенной коррозийной стойкостью. Его стоимость составляет около 000. Тепловизорная система ThermoVision 2000/3000MS – это многоканальная система видеонаблюдения на скоростном и точном поворотном устройстве с тепловизорным каналом, видеоканалом и опциональным лазерным дальномером, имеет длинноволновый узкополосный QWIP-детектор с матрицей FPA 320 х 240 пикселей. По утверждению распространителей, эта система обеспечивает видимость до 40 км и стоит 250 000 евро.

Источники:
С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., Мир, 1984.