Реферат: Системы построения изображений в ИК-диапазоне

Системы построения изображений в ИК-диапазоне

Министерство Образования и Науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО: «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра физики

Реферат:

«Системы построения изображений в ИК-диапазоне»

Проверил: Бахматов Ю.Ф.

профессор каф. физики

Выполнил: Щербаков Е.В.

ст. гр. ТС-03-2 Антипова Е.Ю.

Магнитогорск

Содержание

1. СИСТЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК-ДИАПАЗОНЕ (ТЕПЛОВИЗОРЫ)

. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

. ОПТИКА ТЕПЛОВИЗОРОВ

. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. СИСТЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК-ДИАПАЗОНЕ (ТЕПЛОВИЗОРЫ)

тепловизор оптика электронный сканирование

Исследование пространственных распределений температуры по одной или двум координатам требует сканирования поверхности объекта, которое осуществляют либо механически (оптико-механически), либо электронным способом.

В течение второй половины ХХ-го века использование принципа оптико-механического сканирования было одной из основных черт, разделявших системы визуализации в видимом (ближнем ИК) и средневолновом ИК-диапазоне. В оптико-механических устройствах отклонение угла зрения про изводят с помощью колеблющихся или вращающихся оптических элементов (призм и зеркал), что требует их прецизионной механической обработки и сборки. В 1970-90-х годах в коммерческих тепловизорах применяли, в основном, две системы оптико-механического сканирования. Первая система, воплощенная в приборах фирм АОЕМА Infrared Systems (Швеция), использовала вращающиеся во взаимно-перпендикулярных направлениях кремниевые призмы, через которые проходил регистрируемый поток ИК-излучения (кремний обладает высоким коэффициентом преломления в ИК-диапазоне и обеспечивает необходимые углы отклонения оптического луча). Вторая система, в которой сканирование осуществлял ось колеблющимися зеркалами, была запатентована и реализована фирмой Inframetrics (США).

Принцип электронного сканирования был реализован в разработанных в конце ХХ-го века матричных фотодетекторах нового поколения. В англоязычной литературе этот тип фотоприемников называют матрицами, размещаемыми в фокальной плоскости объектива (Foca1 Р1апе Array-FPA). Основными преимуществами матричных систем тепловидения являются отсутствие движущихся механических частей и одновременное визирование сцены всеми чувствительными площадками одновременно. Последнее преимущество, которое, реализовано только в устройствах мгновенного визирования (snapshot), позволяет увеличить время экспозиции каждой чувствительной площадки, Т.е. уменьшить шумы, и обеспечить одновременное наблюдение быстроменяющихся тепловых событий (например, при ТК коррозии тонких алюминиевых листов).

Упрощенные схемы тепловизоров, реализующих оптико-механическое и электронное сканирование приведены на рис. 1. Оптико-механические системы содержат большое количество движущихся деталей, тогда как матричные тепловизоры фактически являются передающими телевизионными системами ИК-диапазона.

Современные матрицы используют как фотонные, так и тепловые ИК-приемники. Наиболее доступны по цене показывающие и измерительные тепловизоры, работающие на неохлаждаемых болометрических (ферроэлектрических) матричных детекторах. Для специальных применений, где требуется высокая частота смены термоизображений, повышенное температурное разрешение или спектральная селективность, разработаны тепловизоры на охлаждаемых матрицах. Наиболее распространены матрицы на основе силицида платины (PtSi), антимонида индия (InSb), тройных соединений (HgCdTe) и так называемых квип-материалов (QWIP), в частности арсенида галлия GaAs.

Тепловизоры являются оптико- электронными приборами, состоящими из:

-   ИК-приемника (детектора излучения);

-   объектива;

-   сканера (кроме матричных тепловизоров);

-   устройства охлаждения ИК-приемника (отсутствует в ряде моделей);

-   встроенного эталона температуры;

-   электронного блока;

-   монитора;

-   программного продукта. Коммерческие тепловизионные системы также включают:

-   систему записи и твердого копирования термограмм;

-   систему транспортировки прибора;

-   блок питания и/или аккумулятора.

Тепловизоры разного применения обладают различными техническими характеристиками и стоимостью, однако в основе их работы лежат общие физические принципы, рассмотренные ниже.

. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Приемники, или детекторы излучения, принимающие и преобразующие энергию оптического излучения в энергию других видов, подразделяют на биологические и физические. Среди биологических приемников излучения (ПИ) следует выделить человеческий глаз, который регистрирует видимый свет в диапазоне длин волн от 0,38 до 0,78 мкм и диапазоне яркостей, перекрывающем 11 порядков. После адаптации к темноте глаз воспринимает тепловое изучение объектов, начиная с температуры 450 ºС. Таким образом, при соответствующих условиях, человек может «термографировать» перегретые электрические контакты, горячий металл и другие объекты с температурой выше упомянутого порога.

Физические ПИ генерируют электрический сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения, поглощенного их чувствительными площадками. Приёмники ИК-излучения включают:

-   чувствительный элемент (элементы);

-   входное окно, отделяющее внешнюю среду от замкнутого объёма вокруг чувствительного элемента;

-   апертуру, ограничивающую поле зрения (возможно охлаждение и/или термостабилизация апертуры);

-   сосуд Дьюара с хладоагентом (возможна система охлаждения на базе термоэлектрических холодильников или микрокомпрессора Стирлинга; некоторые детекторы работают при температуре окружающей среды).

ПИ разделяют на два основных класса: тепловые и фотонные (фотоэлектрические).

Принцип действия тепловых детекторов основан на одном из четырёх явлений:

) болотометрическом эффекте (изменение электрического сопротивления чувствительного элемента при нагреве поглощенным ИК излучением); 2) термовольтаическом эффекте (выходное напряжение генерируется нагретым спаем разнородным металлов); 3) термопневматическом эффекте (изменение температуры детектора вызывает расширение газового объема); 4) пироэлектрическом эффекте (изменение температуры вызывает модуляцию дипольного момента кристаллического чувствительного элемента).

В фотонных детекторах поглощенные кванты излучения (фотоны) увеличивают число свободных носителей электрического заряда, изменяя электрическое состояние чувствительного элемента. При использовании эффекта фотопроводuмости поглощенное ИК-излучение изменяет электропроводность чувствительного элемента. В рамках фотовольтаuческого эффекта, поглощенное излучение создает электронно-дырочные пары вблизи р-n перехода, генерируя электрический ток. В меньшей степени в детекторах ИКизлучения используют фотоэлектромагнuтный эффект.

Тепловые приемники. Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительного элемента поглощенным тепловым излучением. Исторически болометры были одними из первых видов ИК детекторов, однако их применение в тепловизорах в течение длительного времени сдерживалось их значительной инерционностью. В конце ХХ-го века появились малоинерционные микроболометрические (ферроэлектрические) матрицы, на основе которых были созданы неохлаждаемые матричные тепловизоры, получившие в настоящее время большое распространение.

Пироэлектрические приемники излучения производят из материалов, называемых сегнетоэлектриками, например титаната бария. Эти материалы обладают постоянной электрической поляризацией, являющейся сильной функцией температуры. В течение длительного времени разрабатывали недорогие ИК-тепловизоры на базе пироэлектрических видиконов (пировидиконов), однако в настоящее время они практически полностью вытеснены тепловизорами с матричными детекторами.

Инфракрасные термометры (пирометры) часто используют тепловые приемники на основе термоэлементов, работающих на принципе термоэффекта Зеебека. В качестве материалов для металлических термоэлементов используют сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур, константан, хромель и различные сплавы этих веществ. В полупроводниковых термоэлементах применяют сурьму, кремний, теллур, селен.

Тепловые детекторы имеют плоский характер спектрального хода обнаружительной способности D * Т.е. они являются неселективными и не требуют охлаждения, но сама величина D * при этом значительно хуже, чем у фотонных прием ников (рис. 2).

Фотоэмиссионные детекторы. В этих устройствах поток электронов, создающий электрический ток в первичной цепи, образуется за счет внешнего фотоэффекта, который имеет место на фотокатоде, подверженном воздействию оптического излучения. Максимальная длина волны регистрируемого излучения определяется работой выхода электрона из фотокатода; в частности, для кислородно-серебряно-цезиевого фотокатода она составляет 1,3 мкм. К фотоэмиссионным фотоприемникам относят вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В ФЭУ электроны ускоряются в электрическом поле и умножаются за счет вторичной эмиссии на динодах. Коэффициент умножения в десятиступенчатой системе может составлять от 105 до 107. Типичная постоянная времени составляет около 10 нс. Фотоумножители обычно используют для регистрации слабых световых потоков в микроваттном диапазоне мощностей, поскольку большие мощности регистрируемого излучения могут повредить последние диноды.

В тепловизионных системах фотоэмиссионные приемники не используются.

Фотонные детекторы. Фотонные детекторы реализуют явление внутреннего фотоэффекта, при котором носители заряда не покндают материал детектора, а переходят в зону проводимости либо с примесного уровня, либо из валентной зоны. Спектральный ход детектирующей способности распространенных фотонных детекторов показан на рис. 2.

Сульфид свинца PbS был первым практическим детектором, разработанным в Германии перед второй мировой войной. В 50-е г. появление новых фотопроводящих материалов, таких как селенид свинца PbSe, теллурид свинца РЬТе и антимонид индия InSb, позволило освоить спектральный диапазон ИК-излучения до 3…5 мкм. Использование примесных уровней меди, цинка и золота в германии расширило диапазон до 30 мкм.

В конце 50-х годов в Великобритании разработан приемник на тройном соединении HgCdTe, который наряду с приемниками из антимонида индия, длительное время оставался одним из распространенных в силу стабильности свойств и возможности варьировать основные параметры. В начале 1960-х годов появилась технология фотолитографии, которая позволила создавать матричные детекторы, первоначально на основе PbS, PbSe и InSb. К 1970-M г. большинство линейных матричных детекторов военного применения были изготовлены из HgCdTe.

Первые линейные мозаики, включавшие до 200 чувствительных площадок, имели физические выводы от каждой площадки. По мере улучшения параметров детекторов, появились приборы, выполненные по так называемой СПРАЙТ (SPRIТE-Signal Processing In The Element) технологии, которая была предложена И. Бейкером с соавторами.

Охлаждаемые до криогенных температур СПРАЙТ-приемники остаются одними из применяемых детекторов ИКизлучения (рис. 3). Их изготавливают в виде полоски из материала HgCdTe, которую размещают на сапфировой подложке. Сущность технологии состоит в том, что полоска вытянута в направлении сканирования и на нее подано электрическое смещение таким образом, что скорость дрейфа носителей заряда совпадает со скоростью сканирования. По мере того как точка изображения движется вдоль полоски детектора, индуцируемые ею заряды движутся синхронно, накапливаясь к концу полоски.

Таким образом, основным преимуществом СПРАЙТ-детектора является интегрирование сигнала в фокальной плоскости самим детектором, что снижает шумы. При последовательном считывании сигнала скорости сканирования СПРАЙТ и одиночного приемника совпадают. Однако, если множество СПРАЙТ-детекторов собраны параллельным образом, скорость сканирования может быть уменьшена за счет одновременного интегрирования.

Длинноволновые фотонные приемники оптического излучения, как правило, требуют охлаждения до криогенных температур для того, чтобы снизить истощение энергетических уровней за счет теплового возбуждения атомов примесей и подавить излучение чувствительной площадки самой на себя. Поэтому первые фотонные приемники устанавливали внутри сосуда Дьюара, заполняемого жидким азотом с температурой 77 К. В зависимости от размеров и конструкции дьюаров, жидкий азот требовалось доливать каждые 2 ... 8 часов (были предложены также схемы непрерывной подпитки хладоагентом). С целью избежать проблем, связанных с жидким азотом, были разработаны микрохолодильники на основе эффекта ДжоуляТомсона (микрохолодильник Стирлинга), в которых использовалась замкнутая циркуляция жидкого гелия. Такие холодильники применяла известная в 1980-90-х годах американская фирма Inframetrics (в настоящее время фирма FLIR Systems). Наиболее практичными являются термоэлектрические холодильники, однако достигаемая с их помощью степень охлаждения ограничена температурами выше 190 К. Постоянная времени фотонных приемников оптического излучения находится в пределах от 10-11С для сверхбыстрых кремниевых детекторов до нескольких миллисекунд для приемников на основе PbS.

Фотоприемники на основе квантовых ловушек. В последней декаде прошлого века стали коммерчески доступными приемники ИК-излучения, использующие принцип так называемых квантовых ловушек, или ям (quantum wel1). В англоязычной литературе такие приемники получили аббревиатуру QWIP (Quantum Well Infrared Photodetectors). В "квип-детекторах" использован эффект фотовозбуждения электронов (дырок) между основным и первым возбужденным состоянием в зоне проводимости (валентной зоне) квантовой ямы (рис. 4).

Структура квантовой ловушки такова, что фотовозбужденные носители заряда могут "выбираться" из нее и создавать электрический ток. Например, в одном из первых коммерческих матричных квип-детекторов была использована ловушка из GaAs высотой 45А и барьер из AlGaAs высотой 500А (см. рис. 4). Основные состояния электронов в квантовой ловушке создавались примесным кремнием (Si). Квипдетекторы, используюшие GaAs, позволяют регистрировать ИК-излучение с длиной волны более 6 мкм.

В тепловизорах высокого уровня становятся все более популярными матричные КВИП фотоприемники.

Матричные фотоприемники. Матричные фотоприемники (FPA), устанавливаемые в фокальной плоскости объектива, состоят из множества чувствительных элементов, расположенных по рядам и столбцам прямоугольной матрицы. Чувствительные элементы не заполняют всю площадь матрицы, поэтому одним из важных параметров таких детекторов является коэффициент заполнения (fill factor). Чем выше коэффициент заполнения, тем качественнее изображение, особенно при мониторинге температур, близких к температуре окружающей среды, а также при анализе слабых температурных градиентов. В лучших матрицах коэффициент заполнения может достигать 90 %.

Различают две технологии изготовления матричных фотоприемников: монолитную (mono1ithic) и гибридную (hybrid). Монолитные матрицы дешевле и проще в изготовлении, поскольку в них чувствительные площадки и зоны передачи электрического сигнала расположены в подложке из одного материала, однако их коэффициент заполнения не превышает 55 %. В монолитных матрицах труднее реализовать современные алгоритмы встроенной обработки сигнала, например переменное время интегрирования. В гибридных матрицах зона чувствительных площадок и зона считывания сигналов расположены в двух слоях, разделенных индиевыми контактами, через которые происходит мультиплексирование сигналов каждой площадки. Такие фотоприемники обладают максимальным коэффициентом заполнения и обеспечивают наиболее высокое качество изображения с температурным разрешением до 0,02ºС.

Поскольку фотонные ИК-детекторы являются счетчиками фотонов, важной характеристикой приемников, в том числе матричных, является их квантовый выход, или квантовая эффективность (quantum efficiency), которая характеризует способность фотоприемника собирать кванты электромагнитного излучения и преобразовывать их в электрический сигнал. Интересно отметить, что квантовая эффективность одного из наиболее распространенных материалов фотонных матриц силицида платины PtSi составляет менее 1 %. В целом, детекторы с высокой квантовой эффективностью обеспечивают лучшее температурное разрешение и более высокое качество изображения.