Тепловизоры - Пириконы

Наибольшую перспективу использования в тепловизорах с электронным сканированием имеют телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью (пириконы). Интенсивное развитие этих новых электроннолучевых приборов объясняется многолетним стремлением создать сканирующий преобразователь изображения для наблюдения объектов в инфракрасной области спектра по их собственному излучению.
Принцип действия пирикона аналогичен принципу действия обычного видикона. Изменение температуры, вызванное инфракрасным изображением «а пироэлектрической мишени, создает соответствующее распределение потенциала, которое считывается сканирующим электронным лучом. Выходной сигнал представляет собой переменное по времени напряжение на нагрузке пирикона, которое после усиления подается на управляющий электрод электронно-лучевой трубки. Так как мишень более чувствительна к температурным эффектам, чем к квантовым, она восприимчива к излучению любой длины волны, которое пропускается входной оптической системой и проецируется на мишень. При этом охлаждения мишени не требуется, что является главным преимуществом пирикона по сравнению с другими телевизионными передающими трубками, предназначенными для работы в инфракрасной области спектра.
Схема пирикона (рис. 3.8) аналогична схеме видикона с тем различием, что входное окно выполнено из материала, прозрачного для инфракрасного излучения, а мишень обладает пироэлектрическим эффектом. Тепловое излучение наблюдаемого объекта фокусируется объективом передающей камеры на пироэлектрическую мишень и формирует на ее лицевой поверхности температурный рельеф, который в свою очередь наводит на этой поверхности электрические заряды. Потенциальный рельеф, возникающий на задней поверхности мишени, отображает тепловое изображение объекта.
Отдельные участки мишени во время работы пирикона заряжаются электронным лучом (пучком), площадь поперечного сечения которого в 10-5...10-6 раз меньше площади мишени. Движущийся электронный луч производит считывание мишени и сглаживание потенциального рельефа.

Рис. 3.8. Схема пирикона:
1 — входное окно; 2 — коваровое кольцо; 3 — сигнальный электрод; 4 — пироэлектрическая мишень; 5, 6. 7—катушки фокусировки, развертки и корректировки; 8 — стеклянный баллон: 9 — управляющий электрод (модулятор); 10 — катод; 11 — вольфрамовая нить; 12 13, 1 4— первый, второй и третий аноды; 15 — выходной сигнал

Ток, поступающий на мишень, зависит от ее потенциала. Поступление электронов из луча на мишень вызывает соответствующее изменение тока во внешней цепи сигнальной пластины. Разность токов, протекающих по этой, цепи в те моменты, когда луч находится на нагретом и на ненагретом участках пироэлектрической мишени, образует видеосигнал.
Формирование считывающего электронного луча и его предварительная фокусировка- осуществляются электронным прожектором, состоящим из точечного термоэмиссионного катода, анода с малым отверстием и фокусирующего электрода с большими отверстиями в диафрагме.
Модулятор (управляющий электрод) имеет отрицательный относительно катода потенциал, за счет чего управляет током, отбираемым от катода! и первого анода, имеющего, положительный относительно катода потенциал и создающего ускоряющее поле для ухода электронов с катода.
В первом аноде находится апертурная диафрагма, диаметр отверстия; которой соизмерим с диаметром луча у мишени. Потенциалы первого и второго анодов 300 В. Фокусировка и отклонение электронного луча производятся магнитным полем, создаваемым фокусирующе-отклоняющей системой.
Для работы в режиме медленных электронов (характерном для современных пириконов) перед мишенью располагают мелкоструктурную сетку создающую однородное электрическое поле. Сетка электрически изолирована от второго анода, имеет потенциал, в 1,5...2 раза превышающий потенциал этого анода, и является коллектором вторичных электронов мишени. При коммутации быстрыми электронами роль коллектора выполняет второй анод.
Пириконы собирают в стеклянном баллоне диаметром около 25 мм и длиной 150...170 мм. В передней части баллона находится входное окно, которое выполняют обычно из просветленного германия толщиной 2 мм. Окно имеет максимальное пропускание излучения в спектральном диапазоне длин волн 8...14 мкм, соответствующем «окну прозрачности» атмосферы. Коэффициент отражения в указанном диапазоне не превышает 5 %.

Для уменьшения температуропроводности, присущей любой кристаллической мишени и ограничивающей эксплуатационные показатели пириконов, изготовляют структурированные ТГС-мишени (рис. 3.9). На основе таких мишеней созданы пириконы с высоким качеством изображения. Однако чувствительность их составляет примерно 65 % чувствительности пириконов с монокристаллической ТГС-мишенью толщиной 30 мкм. Различия в чувствительности объясняются эффектами отражения от подложки и прохождения излучения через протравленные участки, окружающие элементы мозаики ТГС.
Для защиты сканируемой поверхности мишени от эрозии ионами, генерируемыми электронным лучом, ее покрывают слоем диэлектрического материала, стойкого к электронному облучению (BaF2, Si02, А1203, MgF2, или КС1). Переднюю поверхность мишени покрывают тонким слоем золотой черни, электрически соединенным с предварительным усилителем.

Рис. 3.9. Структурированные (мозаичные) мишени с прямоугольными (а) и треугольными (б) канавками:
1 — триглицинсульфат; 2 — слой оксида; 3 — сигнальный электрод; 4 — поддерживающая пленка; 5 — подложка из сернистого мышьяка (все размеры даны в микрометрах)
Рис. 3.10. Структура (а) и тыльная часть (б) мишени из полимерной пленки PVFa:
1 — падающее тепловое излучение; 2 — теплопоглощающий слой; 3 — пленка; 4 — металлическая полоска толщиной 0,1 мкм; 5 — высокоомное покрытие; 6 — сканирующий электронный луч; 7 — соединительная шина (все размеры даны в микрометрах)

У всех перечисленных выше сегнетоэлектриков максимальное значение пироэлектрического коэффициента имеет место только в таком состоянии, когда домены всей площади мишени имеют одинаковую направленность. Монодоменное состояние сегнетоэлектрика (монодоменизация) достигается воздействием постоянного электрического поля.
В пириконах применяют также керамические мишени, изготовленные на основе титаната бария и твердых растворов цирконата-титаната свинца. Распространение пироэлектрической керамики обусловлено ее низкой стоимостью, возможностью получения рабочих тел большой площади, малой толщины и разнообразной формы при воспроизводимости электрических свойств. К разряду перспективных поликристаллических материалов относится керамика на основе твердых растворов метаниобата свинца PbNb206. Приближаясь по своим параметрам к керамике системы Pb(Zr, Ti)03, эти материалы выгодно отличаются стабильностью свойств и менее критичны и отклонениям технологических режимов.
Кроме того, мишени изготовляют из органических полимерных пироэлектриков на основе фторированного поливинила PVF2. На лицевую поверхность пленки из этого материала наносят теплопоглощающий слой (чернь висмута) толщиной 2 мкм (рис. 3.10). Термодиффузионная постоянная времени такого слоя 0,5 мс на воздухе и 0,9 мс в вакууме, что существенно меньше длительности одного кадра и обеспечивает формирование теплового рельефа на мишени при стандартном режиме разложения. Сканируемую (тыльную), часть мишени покрывают высокоомным материалом — смесью AsaSes и Те.
Мишень пирикона монтируют в поддерживающем металлическом кольце на расстоянии 1...1.5 мм от входного окна или механически прикрепляют к окну.
В отличие от других типов мишеней видиконов изменения температуры пироэлектрической мишени вызывают как положительные (нагревание), так и отрицательные (остывание) заряды на ее поверхности. При сканировании электронный пучок встречает накопленный рельеф из связанных электронов, и из пучка на мишень оседают свободные заряды, которые не суммируются со связанными, а лишь доводят общий заряд каждого элемента мишени до единого уровня.
Так как материалы, используемые в качестве мишеней, являются хорошими изоляторами (удельное сопротивление достигает 10-15 Ом • см), свободные заряды суммируются от кадра к кадру, что в конце концов приводит к запиранию пирикона. Единственным средством борьбы с таким явлением оказалось формирование пьедестала — положительного потенциала смещения мишени, которое осуществляет в каждом кадре принудительную разрядку поверхности мишени, т. е. нейтрализацию свободных зарядов. В обычных видиконах образования пьедестала не требуется, так как на фотопроводящнх мишенях рельеф создается в форме свободных зарядов, с которыми суммируются заряды из электронного пучка. Это приводит к нивелированию всякого зарядного рельефа.
Известно несколько способов создания на мишени требуемого потенциала. Европейские фирмы практикуют образование пьедестала из ионного тока, для чего при изготовлении пирикона в колбу вводят под давлением около 10""7 Па инертный газ или выделяют определенное количество водорода накаливанием специального источника во время работы трубки.
В США используется метод создания пьедестала, основанный на вторичной электронной эмиссии сканируемой поверхности пироэлектрической мишени. Возбуждаемый на мишени вторичный ток (ток пьедестала) нейтрализует отрицательный заряд на ее поверхности.
Формирование пьедестала осуществляется переводом пирикона на время каждого обратного хода строчной развертки в режим быстрых электронов повышением разности потенциалов между катодом прожектора и мишенью с одновременным увеличением тока луча, в результате чего поверхность мишени доводится до равновесного потенциала. Недостатком этого метода является значительная неравномерность фона, обусловленная перераспределением вторичных электронов, и коэффициента вторичной эмиссии электронов по полю мишени.
При наличии теплового изображения ток, несущий информацию о сигнале, равен сумме токов пьедестала и тока, вызванного изменением температуры пироэлектрической мишени. В отсутствие теплового изображения пучок электронов, облучающий мишень, снижает ее потенциал до значения потенциала пьедестала.
Пироэлектрический материал чувствителен лишь к изменению температуры, поэтому инфракрасное изображение теплоизлучающего объекта, вызывающее изменение температуры мишени, должно меняться во времени. Если объект движется или излучение, падающее на мишень, каким-либо образом модулируется, преобразование теплового изображения объекта в видимое не вызывает затруднений. При наблюдении неподвижных теплоизлучающих объектов со стационарным тепловым режимом необходима искусственная модуляция падающего на мишень излучения, которая может осуществляться двумя способами: 1) движением изображения относительно мишени путем панорамирования камерой или перемещения объектива; 2) прерыванием падающего излучения секторным диском или подобным ему устройством (модулятором).
Первый из этих способов применялся в ранних образцах систем тепловидения с пириконами. Он обладал тем недостатком, что изображение объекта на ТВ-мониторе двигалось и требовалось специальное устройство электронной компенсации для стабилизации этого изображения. Но даже при наличии
такого устройства изображение смазывалось и, кроме того, собственные шумы пирикона возрастали за счет неоднородностей материала мишени.
В большинстве выпускаемых в настоящее время тепловизионных камер используется второй способ модуляции — прерывание падающего на мишень излучения. Трудность реализации этого способа состоит в том, что необработанный выходной сигнал пирикона имеет переменную полярность. Когда модулятор «открыт», темные участки объекта нагревают соответствующие участки мишени и вырабатывается сигнал определенной полярности; при «закрытом» модуляторе эти участки охлаждаются, так как излучение объекта не попадает на мишень, в результате чего вырабатывается сигнал той же формы, но противоположной полярности.

Рис. 3.11. Реакция пирикона на ступенчатый тепловой импульс

При наблюдении объекта на экране позитивные и негативные изображения объекта будут попеременно воспроизводиться синхронно с вращением модулятора. Наблюдение такого изображения чрезвычайно затруднено. Для устранения этого явления можно было бы «отсекать» негативное изображение и воспроизводить только позитивное изображение. Однако при наблюдении такого прерывистого изображения замечается его мерцание. Поэтому негативное изображение инвертируют синхронно с работой модулятора и последующим согласованием черных уровней позитивного и негативного изображений.
Так как пироэлектрический эффект возникает в результате ориентации электрических диполей внутри материала вдоль оси поляризации, максимальный эффект мишени обеспечивается при ориентации всех диполей в одном и том же направлении. Такая ориентация достигается монодоменизацией — процессом, происходящим при создании мощного постоянного электрического поля 10 ...10-6 В /см поперек кристалла. Если непредвиденного перегрева мишени нет или перерыв в работе передающей камеры составлял лишь несколько минут, монодоменизация не требуется.
Образование выходного сигнала при считывании потенциального рельефа в пириконе ничем не отличается от механизма считывания в обычных передающих телевизионных трубках. При считывании потенциального рельефа мишени электронным лучом и модуляции падающего излучения возникают сигналы разной полярности. Пирикон дифференцирует величину падающего потока излучения. Реакция трубки на ступенчатый тепловой импульс в малокадровом режиме работы иллюстрируется рис. 3.11, где Ф — поток излучения; Tw — температура мишеии; Uc — выходной сигнал.
Отдельные процессы формирования видеосигнала при наблюдении стационарных теплоизлучающих объектов состоят в следующем:
исходная равномерная поляризация мишени (монодоменизация), осуществляемая автоматически — оператору достаточно нажать на кнопку;
подогрев мишени до определенной температуры (несколько ниже температуры Кюри) и поддержание ее в пределах ±5 °С. Это необходимо для того, чтобы избежать «плавания» емкости, значение которой зависит от температуры мишени и уровня видеосигнала;
проецирование теплового изображения наблюдаемого объекта и образование на мишени потенциального рельефа;
создание опорного потенциала для осуществления возможности считывания биполярного рельефа;
считывание пучком медленных электронов и формирование из биполярного видеосигнала униполярного;
принудительная разрядка поверхности пироэлектрической мишени. Все перечисленные процессы не протекают раздельно. Например, стирание зарядного рельефа с поверхности мишени и формирование опорного потенциала происходит в ходе единого процесса внесения на мишень положительного заряда.
Одним из основных параметров пирикона, определяющих качество изображения, является разрешающая способность. Для ее определения используется понятие тепловизионной миры — набор чередующихся «теплых» (Т = Т*) и «холодных» (Т = 0) полос равной ширины. При воспроизведении теплой полосы миры график изменения приращения температуры пироэлектрической мишени имеет вид колоколообразной кривой. Это объясняется тем, что мишень пирикона обладает определенной теплопроводностью, являющейся причиной «расплывания» теплового рельефа, которое ведет к ограничению разрешающей способности трубки.
Разрешающая способность пирикона, лин/мм, N = 1 /2L0, где L0 = = Vkh/(nEe) — характеристическая длина, на которой температура мишени уменьшается в е раз; Ее = 4а7*® /я (ех + е2) — удельные радиационные тепловые потери; а — постоянная в законе Стефана-Больцмана; Тм — температура мишени; 8а — коэффициенты теплового излучения лицевой и тыльной сторон мишени;
k — коэффициент теплопроводности, Вт/(ма • К); ft —толщина мишени, мкм.

Рис. 3.12. Графики зависимости минимально разрешаемой температуры от разрешающей способности пириконов, выпускаемых фирмами «Амперекс» (/) и «Филипс» (2)
Рис. 3.13. Спектральные характеристики пирикона с окном из германия (/) и из кристалла КРС-5 (2)

Основное ограничение на разрешающую способность пирикона накладывает пироэлектрическая мишень. Для относительно толстых слоев пироэлектрика (порядка 40 мкм) влиянием сигнального электрода из золота и нихрома на разрешающую способность можно пренебречь. Для повышения этого параметра искусственно снижают теплопроводность вдоль пироэлектрического слоя, создавая структурированную мишень.
К основным параметрам пирикона относят также температурную чувствительность, оцениваемую минимальным значением температурного контраста Д71 последовательно визируемых элементов картинной плоскости, проецируемой на мишень, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум. На рис. 3.12 показаны графики зависимости минимально разрешаемой температуры от разрешающей способности пириконов, выпускаемых фирмами «Амперекс» и «Филипс». Мишени пириконов изготовлены из ТГС толщиной 30 мкм; входное окно — из германия. Минимально разрешаемая температура на крупных деталях достигает 0,1 °С; с уменьшением деталей эта величина находится в пределах 0,5...0,8 °С
Основные параметры и характеристики наиболее распространенного за рубежом пирикона ТН 9851 фирмы «Томсон ЦСФ», предназначенного для работы в спектральном диапазоне 8... 14 мкм:
катод — с косвенным подогревом, напряжение накала 6,3 В, ток накала 0,15 А, время разогрева 1 мин;
мишень — формат кадра 18 X 24 мм, минимальный полезный днаметр 17 мм, спектральная характеристика изображена на рис. 3.13, входное окно из германия или из кристалла КРС-5 толщиной 2,1 ±0.1 мм, расстояние между мишенью и внутренней поверхностью входного окна 1,2...1,5 мм, оптимальная рабочая температура 30...35 °С;
габаритные и весовые данные — максимальная длина 165 мм, максимальный диаметр 29 мм, диаметр баллона 26,7 мм, масса 60 г;

Рис. 3.14. Внешний вид (а), конструктивная схема (б) и цоколевка (в) пирикона ТН 9851
Рис. 3.15. Графики зависимости относительной (а) и температурной чувствительности (б) от разрешающей способности пирикона ТН 9851

рабочие напряжения (токи) — мишень 125 В, электроды gs (рис. 3.14) 250 В (3...5 мкА), gs 200 В, gz 180 В, ток пьедестала 100...125 нА;
другие параметры — порог чувствительности (в диапазоне длин воли 8... 14 мкм) 4,5 мкА/Вт, разрешающая способность 8 лин/мм, температурная чувствительность 0,2 °С, количество строк развертки 625, частота кадров 25 кадр/с, полоса частот предусилителя 4 МГц, коэффициент усиления 3 дБ, максимально допустимая облученность мишени при длительной работе 40 Вт/ма, чувствительность мишени увеличивается на 30...50 % при повышении температуры от 25 до оптимального значения приблизительно 35 °С. Графики зависимостей относительной и температурной чувствительности от разрешающей способности пирикона изображены соответственно на рис.
В табл. 3.1 приведены основные характеристики пириконов, изготовляемых иностранными фирмами.

3.1. Характеристики пириконов иностранного производства