Стартовая >> Архив >> Системы тепловидения

Оптические материалы для тепловизионных систем - Системы тепловидения

Оглавление
Системы тепловидения
Назначение систем тепловидения
История систем тепловидения
Основы получения теплового изображения
Источники информации, пример системы
Теория теплового излучения
Пропускание излучения атмосферой
Теория линейной фильтрации
Сокращенная система обозначений в фурье-анализе
Эквивалентная полоса частот
Физиология зрительного восприятия
Пространственно-частотная характеристика
Визуальная чувствительность к пространственной частоте случайного шума
Интегрирующие свойства глаза
Влияние кадровой развертки на восприятие изображения
Обнаружение объектов на фоне случайных шумов
Субъективное восприятие резкости изображения
Обобщенные критерии
Минимальная разрешаемая разность температур
Параметры эффективности работы
Оптика
Оптические материалы для тепловизионных систем
Сканирующие устройства
Вращающиеся преломляющие клинья
Другие системы сканирования
Эффекты затемнения
Типы тепловизионных систем
Эвапорографы и видиконы
Инфракрасные квантовые счетчики
Выборка
Выборка в системах с коммутацией
Визуальное восприятие объектов
Разрешение эквивалентных штриховых мир
Вероятность обнаружения и опознавания
Эксперименты с обработкой на ЭВМ
Другие ограничения при наблюдении
Измерение характеристик систем
Тепловые изображения
  1. Оптические материалы для тепловизионных систем

Для линз и окон в тепловидении обычно используются три класса оптических материалов: полупроводниковые материалы кремний и германий (как в монокристаллической, так и в поликристаллической форме); поликристаллические соединения II — IV групп, полученные горячим прессованием, типа керамических оптических материалов «Иртран» (фирма «Истмен кодак»); полученные химическим путем слои ZnSe и ZnS, а также халькогенидные стекла типа TI 1173 (фирма «Тексес инструменте»). Кремний и германий используются особенно широко, поскольку высокий показатель преломления, большая механическая прочность и твердость облегчают проектирование оптических деталей из этих материалов.
В идеальном случае желательно, чтобы материал линз, используемых в тепловизионных системах, обладал высоким показателем преломления, не зависящим от температуры и не меняющимся с длиной волны, т. е. имел бы нулевую дисперсию. Материал должен иметь нулевой коэффициент теплового расширения, высокую поверхностную твердость, высокую механическую прочность, совместимость с просветляющими покрытиями, не растворяться в воде и слабо поглощать инфракрасное излучение. Высокий показатель преломления требуется для уменьшения кривизны линз и их толщин, а также числа линз в системе с данным относительным отверстием. Низкий температурный коэффициент показателя преломления необходим для предотвращения дополнительных аберраций и изменений фокусного расстояния линз с изменением температуры. Малая дисперсия необходима для минимизации хроматической аберрации и числа линз для ее компенсации. Сохранение размеров линз при изменении температуры нужно для исключения несбалансированных аберраций и изменений фокусных расстояний, а также для упрощения монтажа линз в оправах.

Фиг. 6.32. Показатели преломления оптических материалов, используемых обычно для изготовления линз в тепловидении.
1 —'германий; 2 — кремний; 3 —«Иртран» 6; 4 — TI 1173; 5 —«Иртран» 4 и селенид цинка; 6 —«Иртран» 2 и сульфид цинка; 7 —«Иртран»; s — «Иртран»23; .9 — <<Иртрано 1.

Высокая твердость предохраняет поверхность от царапин и истирания, а высокая механическая прочность позволяет применять тонкие линзы (с большим отношением диаметра к толщине). Совместимость с просветляющими покрытиями совершенно необходима, поскольку потери на отражение от поверхности увеличиваются с ростом п. Нерастворимость в воде нужна для того, чтобы линзы не разрушались под дождем и при высокой влажности. Низкий показатель поглощения снижает потери на поглощение и обеспечивает эффективное проектирование систем.
Ни один из известных материалов не обладает всеми этими качествами, однако кремний, германий, селенид цинка ZnSe, сульфид цинка ZnS и стекла TI 1173 наиболее близки к совершенству. Эти материалы имеют высокие показатели преломления, высокую твердость и прочность, совместимы с просветляющими покрытиями, нерастворимы и характеризуются малым поглощением. Чаще всего для изготовления линз систем тепловидения применяются кремний и германий. Важнейшие свойства наиболее употребительных оптических материалов приведены в табл. 6.1.
Герцбергер и Зальцберг [4] установили, что дисперсия инфракрасных оптических материалов достаточно точно описывается уравнением
где

Свойства наиболее употребительных влагостойких инфракрасных оптических материалов

 

 

 

 

 

Показатели преломления

 

 

Материал

Состав, структура

Рабочий ИК-диапазон длин волн, мкм

71(3 МКМ)

п(4 мкм)

п(5 мкм)

71(8 мкм)

7J(9 мкм)

71(10 МКМ)

7i(l 1 МКМ)

71(12 МКМ)

Германий

гс-типа с низким сопротивлением

2-23

4,049

4,0244

4,0151

4,0053

4,0040

4,0032

4,0026

4,0023

Кремний

р- или я-тпа с низким сопротивлением

1,5-15

3,4324

3,4254

3,4221

3,4184

3,4180

3,4177

3,4177

«Иртран» 1

Горячее прессование, MgF2
Горячее прессование, ZnS

0,5-9,0

1,3640

1,3526

1,3374

1,2634

1,2269

«Иртран» 2

0,4—14,5

2,2558

2,2504

2,2447

2,2213

2,2107

2,1986

2,1846

2,1689

Сульфид цинка

Химическое осаждение из паровой фазы

0,4-14,5

2,2558

2,2504

2,2447

2,2213

2,2107

2,1986

2,1846

2,1689

«Иртран» 3

Горячее прессование, CaF2

0,4-11,5

1,4179

1,4097

1,3990

1,3498

1,3269

1,3002

1,2694

«Иртран» 4

Горячее прессование,
7пЧр

0,5-22

2,440

2,435

2,432

2,418

2,413

2,407

2,401

2,394

Селенид цинка

Химическое осаждение из паровой фазы

0,5—22

2,440

2,435

2,432

2,418

2,413

2,407

2,401

2,394

«Иртран» 5

Горячее прессование, MgO
Горячее прессование, ГНТр

0,4-9,5

1,6920

1,6684

1,6368

1,4824

1,406

«Иртран» 6

0,9-31

2,695

2,688

2,684

2,677

2,674

2,672

2,669

2,666

Теллурид кадмия

VjU JL с
Химическое осаждение из паровой фазы, CdTe

0,9—15

2,67

2,56

Сульфид кадмия

Химическое осаждение из паровой фазы, CdS

1—14

 

 

2,27

 

TI 1173

Аморфный Ge28Sb12Se60

1—14

2,6263

2,620

2,6165

2,6076

2,604

2,600

2,596

2,592

TI 20

Аморфный Ge33Asi2Se55

0,8—16

2,49

3,135

3,045

Арсенид галлия

Ga As

0,9—11

3,34

-3,1

Трисульфид
мышьяка

As2S3, стекло

1—11

2,4168

2,4118

2,4077

2,3937

2,3878

2,3811

2,3735

2,3650

 

Материал

Твердость по Кнупу

Показатель поглощения при 300 К и при п = 3, 4 и 5 мкм, см-i (приблизительные значения)

Показатель поглощения при 300 К и при п — 8, 9, 10, 11 мкм, см-1 (приблизительные значения)

Модуль Юнга, ГПа при 25° С

Показатель дисперсии

-г- 5 мкм

-Г 1 1 МКМ

Германий

280—300

5,5-6,1

692—850

0,0047; 0,0048; 0,0051

0,015; 0,018; 0,021; 0,029

103,5

88,44

1112,59

Кремний

162-168

4-4,15

1150

131,1

235,65

3454,36

«Иртран» 1

10,4—12,0

576

0,31; 0,19; 0,24

114,5

13,18

«Иртран» 2

51

6,9—7,4

250

0,22; 0,12; 0,07

0,07; 0,08; 0,11; 0,45

96,6

112,64

32,78

Сульфид цинка

250

0,22; 0,12; 0,07

0,07; 0,08; 0,11; 0,45

112,64

32,78

«Иртран» 3

18,9—20

200

0,16; 0,12; 0,06

98,7

21,61

3,851

«Иртран» 4

48-58

7,4—8

100

0,14; 0,19; 0,13; 0,13

71,07

179,5

82,91

Селенид цинка

100

8,53

100

<0,003

<0,003

67,3

179,5

82,91

«Иртран» 5

10,4-12

640

0,24; 0,18; 0,16

332,6

12,04

«Иртран» 6

96

5,3-6

45

0,24; 0,25; 0,29; 0,27

35,9

153,6

209,1

Теллурид кад

93—107

5,9

45

0,005 при 10 мкм

0,002 при 10 мкм

22,1

мия

 

 

 

 

 

 

 

 

Сульфид кад

3

120

0,03 при 10 мкм

мия

 

 

 

 

 

 

 

 

TI 1173

80

15-16

150

0,059 при 11 мкм

21,39

165,45

138,09

TI 20

-80

13

171

0,075 при 10 мкм 0,091 при И мкм

20,7

Арсенид гал

149

5,7—6

750

0,02 при 10 мкм

88,8

лия

 

 

 

 

 

 

 

 

Трисульфид
мышьяка

—8,6ч- 4-10

24,6

109

 

 

15,87

155,2

68,5

Коэффициенты дисперсии оптических материалов, применяемых & тепловизионных системах


Материал

Диапазон длин волн, мкм

А

в

С

D

Е

Германий

2,0-13,5

3,99931

0,391707

0,163492

—0,0000060

0,000000053

Кремний

1,3—11,0

3,41696

0,138497

0,013924

—0,0000209

0,000000148

«Иртран» 1

1,0—6,7

1,37770

0,001348

0,000216

—0,0015041

0,00000441

«Иртран» 2

1,0—13,5

2,25698

0,032586

0,000679

—0,0005272

0,000000604

«Иртран» 3

1-10

1,4278071

2,2806966-10-3

-9,1939015-10-5

— 1,1165792- Ю'З

—1,5949659-10-6

«Иртран» 4

1—10

2,4350823

5,1567472-10-2

2,4901923.10-3

—2,7245212.10-8

—9,8541275-10-8

«Иртран» 5

1—10

1,7200516

5,6119400-Ю-з

—1,0986148-10-5

—3,0994558-10-3

—9,6139613-10-6

«Иртран» 6

1—10

2,682384

1,180290-10"1

3,27680М0-2

—1,202984-Ю-4

2,177336-10-8

Значения коэффициентов, полученных в работе [4], приведены в табл. 6.2. Уравнение такого вида полезно для получения интерполяцией промежуточных значений показателя преломления, заключенных между измеренными значениями п. Дисперсия некоторых материалов показана на фиг. 6.32. Более подробное изложение вопросов, рассмотренных в этом разделе, можно найти в литературе [8—12].

6.11. Качество изображения за пределами центра поля зрения
При расчете и проектировании систем часто необходимо решить, до какой степени допустимо ухудшение качества изображения на некотором расстоянии от оси по сравнению с качеством изображения в центре поля зрения.
В разд. 4.11 было показано, как чувствительность наблюдателя к изменениям разрешающей способности зависит от величины последней. Одна пороговая единица при низкой разрешающей способности составляет обычно 5—10% ее величины; при улучшении разрешающей способности ее изменения заметить труднее. Очевидно, если ухудшение качества по полю зрения составит примерно одну пороговую единицу, такое ухудшение будет практически незаметно и не приведет к ухудшению характеристик системы. В разд. 10.2 будет показано, что, осуществляя поиск объекта по полю зрения, наблюдатели обычно концентрируют внимание на участке размером 9° в центре экрана индикатора, и, следовательно, чем больше угловой размер экрана, тем меньше используются его края. Ясно, что если нужно пожертвовать качеством изображения в какой-то части экрана, то это должна быть мало используемая часть. Таким образом, можно допустить ухудшение разрешения на краях большого экрана, однако не в таких пределах, чтобы дезориентировать наблюдателя. Некоторое ухудшение разрешения на краях поля зрения оптической системы неизбежно из-за дисторсии и поперечной хроматической аберрации. Обычно ухудшение разрешения в два-три раза незаметно, если только специально не разглядывать край поля. В этом можно убедиться на опыте работы систем FLIR с круговым сканированием, в которых намеренно изменяют разрешение от центра к краю поля зрения [13].



 
« Система обслуживания и ремонта оборудования энергохозяйств промпредприятий   Совершенствование управления энергетическим объединением на основе локальных вычислительных сетей »
электрические сети