Реферат: Системы построения изображений в ИК-диапазоне

Еще одной характеристикой матричных фотоприемников является время интегрирования сигнала (integration time). Во многих случаях оно составляет 16 мс, что соответствует одному полному кадру. Матрицы с переменным временем интегрирования позволяют собирать ИК-фотоны в течение более коротких времен, что обеспечивает регистрацию температур до +450ºС.. Тепловизоры без переменного времени интегрирования требуют введения спектральных фильтров для регистрации температур в широком интервале от -20 до +2000ºС.

Оптика FРА-тепловизоров имеет свою специфику. Наиболее совершенной являются объективы (reimaging optics), создающие две фокальные точки, в одной из которых располагают матрицу, а во второй размещают диафрагму поля зрения, которая предотвращает засветку от мощных посторонних излучателей (offaxis stray radiation). Обычные объективы (nonreimaging optics) создают только одну фокальную точку и используются главным образом в показывающих тепловизорах, где засветка не искажает измерительные способности устройства.

Одной их неприятных особенностей матричных фотоприемников является неравномерная чувствительность от одной площадки к другой. Коррекцию (nonuniformity соnесtiоn) осуществляют различными способами: 1) считывая температуру крышки, размещаемой на объектив (простейший способ); 2) периодически размещая в оптическом пути внутри камеры объект с равномерной известной температурой, которая служит для корректировки сигналов в отдельных пикселях; 3) осуществляя непрерывную коррекцию с помощью встроенного микропроцессора (наиболее метрологичный способ).

Другой проблемой тепловизоров, трудно решаемой для FРА-детекторов, является необходимость компенсировать изменения температуры окружающей среды. Чаще всего это осуществляют путем размещения нескольких датчиков температуры в критических точках оптической головки тепловизоров.

Неохлаждаемые микроболометрические матрицы. Технология изготовления болометрических FPА матриц, предложенная относительно недавно, получила быстрое признание, поскольку такие матрицы не требуют охлаждения и способны работать при температуре окружающей среды, позволяя создавать весьма практичные тепловизоры. Основные недостатки микроболометрических матриц: более низкая по сравнению с фотонными матрицами чувствительность и метрологическая стабильность.

Схема неохлаждаемой болометрической матрицы изображена на рис. 5. Каждый чувствительный элемент может реализовать принцип резистивного, пироэлектрического или ферроэлектрического детектора. В резистивных элементах поглощенное ИК-излучение изменяет их электрическое сопротивление, что регистрируется электронной схемой считывания сигнала. В пироэлектрических элементах, при температурах ниже точки Кюри, изменение их температуры приводит к модуляции поверхностного электрического заряда, т.е. к появлению электрического тока.

Пироэлектрический эффект может быть усилен наложением электрического поля, что приводит к ферроэлектрическим феноменам. В современных матрицах имеется поглощающий излучение слой, выполненный в виде четвертьволновой оптической полости толщиной около 1 мкм. Отдельные чувствительные площадки теплоизолированы друг от друга с целью обеспечить максимальное пространственное и температурное разрешение.

Как и в фотонных матрицах, используют два типа архитектуры элементов: гибридную и монолитную.

В гибридных матрицах детектор и устройство считывания сигнала, выполненное на основе кремниевой структуры, изготовлены отдельно друг от друга и затем собраны вместе.

В монолитных матрицах детектор размещают над схемой считывания непосредственно в процессе изготовления, что обеспечивает лучшие детектирующие параметры.

Типичная коммерческая болометрическая матрица состоит из 320 * 240 элементов и обеспечивает температурное разрешение на уровне 100 мК (в лабораторных системах достигнуто разрешение около 10 мК).

Фотонные матрицы. Наиболее распространенные типы фотонных матриц выполнены на основе барьера Шоттки (Shottky barrier), суперрешетках (super1attice), собственной проводимости (intrinsic) и Z-планарной (Z-p1ane) технологии.

Матрицы на основе барьера Шоттки. Данный тип детектора был предложен Ф. Шепардом и А. Янгом в 1973 г.

В настоящее время многими компаниями разработаны матрицы размером до 512 * 512, большей частью использующие силицид платины PtSi. Данный материал работает в диапазоне 3 ... 5 мкм, весьма стабилен во времени и устойчив к повышенным температуры. Несмотря на низкую квантовую эффективность (-1 %), PtSi фотоприемники обеспечивают температурное разрешение до 0,05 ºС. Силицид галлия GaSi позволяет расширить спектральный диапазон до 8…16 мкм.

Матрицы на суперрешетках. В этих фотоприемниках, к которым также относят КВИП (QWIP) детекторы, перемежающиеся слои различных полупроводников различной толщины позволяют изменять область спектральной чувствительности.

Наиболее перспективная технология использует материал GaAs-GаА1Аs, созданный в 1987. Длинноволновая граница суперрешеток может изменяться от 6 до 11 мкм при обнаружительной способности в диапазоне от 1010 до 1011 см * Гц1/2 Вт (уровень охлаждения от 50 до 70 К). Обладая квантовой эффективностью от 5 до 10 % на длине волны 9,5 мкм, эти фотоприемники обеспечивают весьма высокое температурное разрешение (до 0,01 ºС).

По совокупности параметров матричные КВИП-детекторы большого формата позволили создать высокочувствительные тепловизоры, работающие в длинноволновом диапазоне.

Матрицы на полупроводниках с собственной проводимостью. В этих матрицах используют обычные фотопроводящие и фотоэлектрические (фотовольтаические) детекторы. Как и в случае суперрешеток, наиболее перспективна гибридная технология, которая предусматривает внедрение (приклеивание) чувствительного элемента на кремниевую подложку чипа считывания электрического сигнала.

Распространены матрицы из HgCdTе (размером до 256 х 256) и InSb (размером до 640 х 512). Квантовая эффективность приемников из InSb достигает 80 ... 90 %, однако она не всегда реализуется вследствие переполнения квантовых ловушек электронами.

Другой проблемой этих приемников оказалась их относительно невысокая стабильность во времени и при циклах охлаждения.планарные матрицы. Данная технология была предложена с целью дополнить функцию обнаружения электромагнитного излучения рядом функций предварительной обработки сигнала. Кремниевые чипы размещают на тонкой керамической плате (толщиной 100 мкм), на боковой поверхности которой устанавливает ИК-детектор. Такие платы собирают вместе, формируя матрицу. В Z-планарных детекторах можно осуществлять свертку сигнала, дифференцирование и встроенное аналого-цифровое преобразование. Современные матричные фотоприемники характеризуются следующими параметрами:

-   HgCdTe: до 480 х 640 (размер пикселя от 20 мкм до 1 мм); рабочая (operating) температура Тор = 80 К;

-   PtSi: до 1024 х 1024; Тор = 80 К;

-   InSb: до 640 х 480; Тор =80 К.

Коммерческие матричные квип-фотоприемник и формата 320 х 256 и 640 х 486 работают

при температуре 70 К и обеспечивают температурное разрешение около 30 мК в диапазоне длин волн 8 ... 12 мкм.

Параметры ИК-приемников. Детекторы ИК-излучения являются сложными оптико-электронными устройствами, которые характеризуются большим числом параметров, из которых основными являются:

-   удельная обнаружительная (детектирующая) способность (detectivity) D * , см . Гц1/2/Вт;

-   область спектральной чувствительности, мкм;интегральная, или вольтовая, чувствительность, определяющая амплитуду электрического сигнала на выходе фотоприемника, В/Вт;

-   площадь чувствительного элемента Ad, см2;

-   инерционность, или постоянная времени, с.

Удельная обнаружительная способность. Удельная обнаружительная способность является спектральной функцией и служит важнейшим критерием качества фотоприемников. Ее определяют следующим образом:

где NEP - мощность (поток), эквивалентная шуму (Noise Equivalent Power-NEP); ∆f- полоса частот, Гц.

Согласно ГОСТ 21934-83 величину NEP называют порогом чувствительности приемника излучения, выражают в Вт; в англоязычной литературе эту величину часто выражают в Вт/Гц1/2. При правильной записи D* следует указывать значение длины волны, частоту модуляции и полосы частот (единичной):

Коэффициент использования ПИ по конкретному излучателю определяется выражением

где s(λ) = Dλ*/Dm* относительная спектральная чувствительность ПИ;

Dm* - максимальное по спектру значение обнаружительной способности.

При проектировании тепловизоров предложен аналог коэффициента использования - коэффициент сравнения ПИ:

который позволяет сравнивать эффективность ПИ при регистрации малых температурных перепадов. В СССР выпускалась весьма широкая номенклатура приемников излучения, параметры которых можно найти в соответствующей литературе.

Спектральная чувствительность. Область спектральной чувствительности тепловизоров определяется используемым приемником ИК-излучения (см. рис. 2).

Приборы, работающие в коротковолновом диапазоне, например передающие телевизионные трубки и ЭОПы, могут рассматриваться в качестве тепловизоров, измеряющих относительно высокие температуры. Тем не менее, термин "тепловизор" обычно применяют к системам со спектральной чувствительностью от 3 до 14 мкм.

Исторически коротковолновыми тепловизорами (short wave~SW) называли такие, которые использовали приемники на антимониде индия (3 ... 5 мкм), тогда как длинноволновые (long wave-LW) системы в течение многих лет использовали приемники на тройных соединениях HgCdTe (7 ... 14 мкм).

На рис. 6 изображена относительная спектральная чувствительность трех типов современных тепловизоров, работающих в различных спектральных диапазонах.

Устройства охлаждения приемника излучения. для того, чтобы ИК-приемник не регистрировал преимущественно свое собственное излучение, а также для снижения собственных шумов, чувствительный элемент приемника должен быть охлажден. Длительное время в качестве хладоагента применяли жидкий азот, снижающий температуру до -200 ОС. В зависимости от объема сосуда Дьюара одной заливки хватало на 2 ... 8 ч, поэтому проведение ИК-съемки в течение рабочего дня требовало от оператора носить с собой сосуд Дьюара или, в лучшем случае, бытовой термос.

С переходом на термоэлектрические холодильники нужда в жидком азоте отпала.

Поскольку термоэлектрические холодильники обеспечивают понижение температуры только до -70 ... -90 ОС, в ряде моделей тепловизоров применен миниатюрный компрессор (известный также под названием "холодильник Стирлинга"), который охлаждает ИК-приемник до температуры жидкого азота.

Первый коммерческий тепловизор серии Them1Ovision 500, в котором приемник излучения работал при комнатной температуре, был выпущен фирмой АОЕМА Infrared Systems (ныне FLIR Systems). В данном приборе был использован FPА-детектор болометрического типа. Необходимость учитывать влияние изменяющейся температуры окружающей среды потребовало специальных технических решений, являющихся ноу-хау (know how) фирм-производителей. Использование фотонных FРА-детекторов излучения по-прежнему требует их охлаждения (при этом достигают наилучшего температурного разрешения).

. ОПТИКА ТЕПЛОВИЗОРОВ

Во всех высококачественных тепловизорах ИК-объектив является сложным дорогостоящим узлом, включающим набор линз и зеркал, которые выполнены из хрупких, дорогостоящих и требующих прецизионной обработки материалов типа кремния, германия и специальных ИК стекол.

Фокусное расстояние и коэффициент увеличения оптической системы. Сложная оптическая система может быть сведена к одиночной линзе, которая характеризуется фокусным расстоянием F = F' . Такая линза создает изображение У' объекта У (см. рис. 7). Смещения У и У' от фокусных точек F и F' равны соответственно Х и Х'. Базовое уравнение тонкой линзы имеет вид

Коэффициент усиления равен:

У/У' = 5/51,

где 5 - расстояние между объектом и линзой; 5 I - расстояние между изображением объекта и линзой.

Мгновенный угол зрения и поде зрения. Если У' - размер чувствительной площадки фотоприемника, то величину У' / S'= У /S называют мгновенным углом зрения (instantaneous field of view IFOV), который определяет пространственное разрешение системы (рис. 8). Сканирующие тепловизоры, использующие одиночный приемник, в любой момент времени собирают излучение в пределах мгновенного угла зрения, который непрерывно изменяет свое положение в пространстве в ходе сканирования, формируя таким образом поле зрения. В матричных тепловизорах поле зрения определяется размером матрицы, а мгновенный угол зрения связан с отдельными приемными площадками.

Угол (поле) зрения (fie1d of view- FOV) оптической системы схематично изображен на рис. 8. Для наблюдения удаленных предметов необходим длиннофокусный узкоугольный объектив (ИК-съемка с борта вертолета, анализ элементов линий электропередач и т.п.), тогда как широкоугольная оптика удобна, если объект находится вплотную к оператору и cлeдyeт просматривать как можно большую площадь (научные исследования, строительство и энергетика). Фирмы-производители поставляют тепловизоры со сменной оптикой, которую заказывают в зависимости от предполагаемой области применения. В качестве компромиссного варианта часто принимают 12-ти градусный объектив, который обеспечивает приемлемое геометрическое разрешение в большинстве практических задач. Например, в тепловизорах фирмы FLIR Systems часто используют пять объективов: 2,5; 7; 12; 20 и 400о.

В табл.1 приведены размеры зоны контроля на расстоянии 1О м для различных полей зрения. Для расстояний иных, нежели приведенных в табл. , производят простой пропорциональный пересчет размеров зоны контроля: например, поле зрения 200 на расстоянии 100 м будет эквивалентно зоне размером 3,5(100/10) = 35 м.

Геометрически, оба параметра могут быть определены по обеим координатам сканирования:

где Ly - размер контролируемой зоны по координате У, определяемый полем зрения тепловизора; 1., - размер зоны, визируемой в пределах мгновенного угла зрения (по координате У); как правило, Lx ≠ Ly и lx = ly .

Щелевая функция чувствительности и модуляционная передаточная функция. Пусть на расстоянии Н от детектора находится щель переменной ширины d (рис. 7.14). За щелью размещен фоновый объект с температурой выше температуры окружающей среды. Очевидно, что выходной сигнал ИК-детектора (тепловизора) U зависит от ширины щели d. Функция U(d/Н) называется щелевой функцией чувствительности (slit response function - SRF). Угловой размер щели при 50 %-м спаде сигнала, будет соответствовать пространственному разрешению при 50 %-й модуляции. При сравнении различных оптических систем важен не столько выбор уровня модуляции, сколько обеспечение одинаковых условий сравнения различных тепловизоров. При ширине щели меньше мгновенного угла зрения профиль сигнала соответствует импульсной реакции системы на линию; эта функция называется функцией рассеяния линии (ФРЛ). Модуль преобразования Фурье от ФРЛ представляет собой модуляционную передаточную функцию МПФ (modulation transfer function - MTF), которая дает контраст изображения в функции пространственной частоты при исходном (на нулевой частоте) контрасте, paвном единице. МПФ также получают, измеряя контраст мир, уменьшающийся с ростом пространственной частоты. Hедостатком МПФ как критерия качества тепловизора является то, что эта функция определяет ослабление глубины модуляции безотносительно к уровню шумов.