Системы тепловидения - Эвапорографы и видиконы

1. Эвапорографы

Первые тепловизионные системы, в которых использовался принцип эвапорографии, были описаны Черни [18], Черни и Молле

1. , Робинсоном и др. [20], Мак-Даниэлем и Робинсоном [21], Овребо и др. [22], а также Синцовым [23]. Несмотря на различие конструкций, основной принцип построения всех эвапорографов одинаков: тонкая мембрана помещена в камеру с перенасыщенными парами масла, причем вся система находится в тепловом равновесии. В состоянии равновесия скорость испарения паров масла с поверхности мембраны и скорость их конденсации на этой поверхности равны. Однако, если с помощью оптической системы создать на мембране изображение тепловой картины, равновесие нарушается. Если мембрана и пленка масла на ней достаточно тонкие, то при освещении пленки белым светом будут наблюдаться интерференционные цвета. Эта картина, обусловленная различной степенью испарения летучей жидкости с поверхности мембраны, будет соответствовать поглощению теплового излучения мембраной.

В начале 50-х годов Фоши [24] с сотрудниками предложили использовать свойства тонкой пленки в эвапорографе для получения теплового изображения другим путем. Они наносили жидкую пленку с малой вязкостью на тыльную сторону тонкой зачерненной мембраны, как в эвапорографе, но теперь пленка освещалась и рассматривалась через оптическую шлирен-систему. При этом становились видимыми деформации поверхности, вызванные изменениями поверхностного натяжения из-за локального нагревания пленки. С помощью этого прибора не удалось получить удовлетворительного изображения из-за слишком большого размытия последнего, обусловленного тепловой проводимостью пленки. В так называемом паниконе фирмы «Гретаг» [25] эта проблема решена путем нагревания пленки только в дискретных точках двумерной картины, для чего используется маска в виде сетки, изолирующая малые участки пленки.
Все упомянутыеприборы обладают недостатками, связанными с тем, что это тепловые приемники, т. е. образование изображения зависит от создаваемой излучением разности температур на чувствительной поверхности. При использовании чувствительных к теплу поверхностей возникает ряд серьезных проблем:

1. Необходимость обеспечения высокой тепловой чувствительности поверхности делает ее весьма восприимчивой к излучению корпуса прибора и требует изоляции поверхности от всех тепловых источников, кроме рассматриваемой картины.
2. При воспроизведении изображения движущихся объектов требуется малая постоянная времени, для чего необходима быстрая передача тепла по поверхности. Последнее требование несовместимо с требованием ограничения рассеяния изображения для обеспечения высокого разрешения.
3. Контрасты обычно получаются низкими, поскольку не существует простых способов вычитания фона.
4. На относительно большой чувствительной поверхности трудно обеспечить равномерную чувствительность, и поэтому часто появляется паразитная модуляция.
5. Инфракрасные полупроводниковые видиконы

Более совершенные телевизионные передающие трубки вытеснили механические сканирующие системы в телевидении. Это воодушевило многих исследователей попытаться сделать нечто подобное с системами FLIR, однако до сих пор достигнутые успехи невелики. Самая трудная проблема связана с тем, что высокие уровни потоков излучения от фона в далекой инфракрасной области спектра в наземных условиях приводят к насыщению генерирующих заряды чувствительных поверхностей и обеднению электронами считывающих пучков, и в результате требуется вычитание фона. Это означает, что большинство схем с видиконами сможет успешно работать только на холодных фонах, например на фоне космоса. Другая серьезная проблема состоит в том, что видиконы, линейно преобразующие поток теплового излучения или поток квантов в электрические сигналы, должны обладать очень высокой

однородностью чувствительности, чтобы избежать паразитной модуляции, как уже указывалось в разд. 8.6. К настоящему времени разработаны четыре типа инфракрасных полупроводниковых нидиконов.
Сообщение об одной из ранних разработок Редингтона и ван Гердена [26] появилось в 1959 г. Упомянутые авторы исследовали мишени из фотопроводящих материалов (кремния и германия с примесями), работающих при низких температурах. Мишени из кремния, легированного золотом, дали наилучшие результаты, однако спектральная чувствительность ограничивалась длиной волны ~2 мкм, и достаточно высокой чувствительности получить не удалось. В 1962 г. Хейман и Кунце [27] сообщили о резистроне — инфракрасном видиконе с граничной длиной волны спектральной характеристики 2 мкм. В резистроне использовалась мишень из сульфида свинца. Для получения удовлетворительного изображения требовался дополнительный осветитель мощностью 1,5 кВт. Берт и Бриссо [28] в 1969 г. описали две телевизионные трубки со спектральной чувствительностью, ограниченной длиной волны 2 мкм. В первой использовалась фотопроводящая мишень из PbS — РЬО, а во второй — мозаика из германиевых фотодиодов. Обе трубки надо было охлаждать, а для получения удовлетворительного изображения требовалось дополнительное освещение рассматриваемой картины. В 1971 г. Ким и Даверн [29] продемонстрировали возможности использования одномерной и двумерной мозаик из фотодиодов на основе арсенида индия со спектральной чувствительностью от 2,5 до 3,4 мкм.
Диммок [30] сделал обзор большинства упомянутых работ и провел сравнительный анализ некоторых гипотетических телевизионных трубок и обычных систем FLIR для разных уровней потока излучения от фона. Он рассмотрел как видиконы с мозаиками в виде линеек и механическим сканированием, так и видиконы с двумерными мишенями и сделал следующие теоретические выводы:

1. Видикон с одномерной мозаикой-линейкой будет удовлетворительно работать на земных фонах как в диапазоне 3—5 мкм, так и в диапазоне 8—14 мкм.
2. Видиконы с двумерной мозаикой или с непрерывной чувствительной поверхностью и с неравномерностью чувствительности не более 0,04% будут хорошо работать па земных фонах в диапазоне 3—5 мкм, а в диапазоне 8 — 14 мкм работать не смогут.
3. На холодных космических фонах видиконы с двумерной мишенью будут работать лучше, чем видиконы с одномерной линейкой чувствительных элементов и обычные сканирующие системы.

Диммок предложил вычитать фон, используя расфокусированный электронный пучок для равномерного снятия заряда с мишени или применяя фотопроводящие мишени, являющиеся одновременно фотоэмиттерами.

1. Пироэлектрические видиконы

Пироэлектрические материалы обладают свойством изменять свою электрическую поляризацию при изменении температуры. Томпсет [31] описал использование пироэлектрических свойств триглицинсульфата (ТГС) для создания инфракрасного видикона. В предложенной им схеме монокристалл ТГС электрически поляризуется под действием приложенного постоянного электрического поля. Лицевая поверхность кристалла покрывается тонким проводящим слоем, потенциал которого поддерживается постоянным. Падающее тепловое излучение вызывает изменение поляризации, в результате чего возникает соответствующим образом распределенная разность потенциалов между проводящей поверхностью и тыльной непроводящей поверхностью. Тыльная поверхность сканируется электронным лучом, электроны вносят заряд, нейтрализующий разность потенциалов. Ток луча в функции положения луча является аналогом тепловой картины. Поскольку пироэлектрический видикон — тепловой прибор, перед каждым новым кадром должна быть восстановлена однородная температура чувствительного слоя, чтобы устранить смазывание изображения. В пироэлектрическом видиконе Томпсета для этой цели используется механическая заслонка, обеспечивающая восстановление исходной температуры кристалла ТГС в промежутке между кадрами. По заключению Томпсета можно получить разрешающую способность 104 элемент/см2 и тепловую чувствительность ~1° С при частоте кадров ~ 10 Гц.

1. Электронно-оптические преобразователи

Было предпринято несколько попыток разработать чувствительные в инфракрасной области спектра трубки по образу электронно-оптических преобразователей изображения, отличающихся простотой в работе. Гарбуни и др. [32] описали трубку, названную фототермическим преобразователем изображения (термиконом). В этом тепловом приборе бегущий световой луч используется для возбуждения фотоэлектронной эмиссии с тонкого фотокатода, расположенного в фокальной плоскости инфракрасного объектива. Термикон работал с телевизионной кадровой частотой и имел хорошую разрешающую способность, но минимально обнаруживаемая разность температур для больших объектов составляла лишь ~10° С. В статье [32] приведен анализ предельных возможностей термиконов.
Офан и др. [33] рассмотрели трубку, названную «сервал» и представляющую собой тепловой преобразователь изображения, в котором используется возбуждаемая ультрафиолетовым излучением фотоэлектронная эмиссия с фотопроводящего катода для получения видимого изображения на флуоресцирующем экране. Ульмер [34] описал тепловой прибор, в котором изменения температуры тонкой масляной пленки вызывают изменения отражательной способности, которые обнаруживаются при освещении. Шуассер и Высочанский [35] разработали тепловой преобразователь изображения — трубку под названием «болокон». В этом приборе фотоэлектронная эмиссия с фотокатода, нанесенного на тонкое полупроводящее стекло, возбуждается ультрафиолетовым излучением. Мортон и Форге [36] описали фотопроводящий чувствительный слой из сульфида свинца, используемый в преобразователях изображения.

1. Лазерный параметрический преобразователь изображения с повышением частоты

Преобразование с повышением частоты представляет собой метод, в котором инфракрасное излучение смешивается с когерентным излучением гетеродина в оптически нелинейном материале. В результате получается видимый свет, пространственно промодулированный так же, как инфракрасное излучение. Электромагнитная теория преобразования с повышением частоты описана Яривом [37] и здесь не приводится. Лазерное параметрическое преобразование с повышением частоты возможно только в таких оптических кристаллах, которые не обладают симметрией инверсии, так что электрическая восприимчивость кристалла нелинейна. В этом случае электрическое поле внутри кристалла вызывает электрическую поляризацию, пропорциональную квадрату напряженности поля. Падающая волна с частотой со/я при наличии частоты накачки сор преобразуется в волну видимого света с частотой соу, равной

(8.45)
Такое преобразование в кристалле осуществляется только при выполнении целого ряда требований.
Первое, наиболее важное требование заключается в том, чтобы волновые векторы были согласованы по эффективной длине взаимодействия в кристалле и обеспечивалось сохранение количества движения

(8.46)
Поскольку показатели преломления для инфракрасного излучения и излучения накачки различны, это условие может Выполняться только в случае, когда кристалл двоякопреломляющий, т. е. показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей различны. В зависимости от отношения этих показателей можно поляризовать излучение накачки в направлении обыкновенного или необыкновенного лучей, так что оно оказывается согласованным по фазе с компонентой инфракрасного излучения, поляризованного в другом направлении.
Второе требование заключается в том, чтобы кристалл был прозрачен для всех трех длин волн и обеспечивал тем самым высокую эффективность преобразования. В соответствии с третьим требованием необходим подходящий усилитель яркости создаваемого изображения, не вносящий дополнительных шумов. Поток фотонов видимого излучения не может быть больше потока фотонов падающего инфракрасного излучения, и эффективность преобразования в действительности невелика, а полученный видимый свет слабый. Четвертое требование заключается в том, что должен использоваться подходящий фильтр, который мог бы отделить слабый пучок видимого света от мощного излучения накачки. Выбор фильтра осложняется тем, что по длинам волн эти излучения отличаются только на доли микрометра:
(8.47)
Ярив вывел выражение для эффективности преобразования с повышением частоты по мощности Ру/Рщ, пренебрегая потерями на отражение и поглощение в кристалле:
(8.48)
где со у — частота видимого света, I — эффективная длина взаимодействия, п — показатель преломления, |я0 — магнитная проницаемость в вакууме, е0 — диэлектрическая проницаемость в вакууме, Рр — мощность накачки, А — эффективное сечение взаимодействия и d — коэффициент оптической нелинейности, определяемый по Яриву. Очевидно, что эффективность возрастает с увеличением плотности мощности накачки и эффективной длины взаимодействия в кристалле.
При применении метода преобразования с повышением частоты для получения теплового изображения в широкой полосе возникает множество проблем. Самая трудная связана с тем, что угловое увеличение при таком преобразовании зависит от длины волны и определяется выражением
(8.49)
Если выбрать материал, обеспечивающий постоянство этого отношения для всех представляющих интерес значений XRI (т. е. про-

Фиг. 8.20. Принципиальная схема параметрического преобразователя изображения с повышением частоты.
извести согласование по дисперсии), то компоненты изображения на всех длинах волн сфокусируются в одном месте. В противном случае для каждой длины волны будет свое угловое увеличение, что эквивалентно наличию поперечной хроматической аберрации. Однако, если провести согласование по дисперсии, на величину поля зрения наложатся ограничения, связанные с условием согласования по фазе.
Наиболее подходящим материалом для преобразования излучения в окрестности длины волны 10 мкм в видимый свет является прустит Ag3AsS3. Основные элементы системы преобразования с повышением частоты показаны на фиг. 8.20. Сторонники метода параметрического преобразования изображения с повышением частоты указывают на следующие его преимущества по сравнению с обычными методами сканирования:

1. Пространственно-непрерывное (без выборки) изображение.
2. Отсутствие системы охлаждения.
3. Потенциальная возможность получать изображение без дополнительных шумов.
4. Потенциальная возможность обойтись без инфракрасной оптической системы.
5. Отсутствие механических движущихся частей, обеспечивающее простоту устройства.

Однако основным недостатком метода является, по-видимому, потребность в очень высокой мощности накачки. Например, согласно оценке Уорнера [38], для получения тепловой чувствительности ~1°С в преобразователе с повышением частоты с числом элементов в изображении 100 X 100 требуется источник накачки, произведение мощности которого на постоянную времени приемника видимого света равно 1000 Вт-с. Ясно, что это довольно плохие характеристики системы при столь большом расходе мощности.
По результатам анализа, проведенного Мильтоном [391 с учетом как практических, так и теоретических ограничений, конкурентоспособность систем преобразования с повышением частоты с обычными системами FLIR маловероятна по следующим причинам:

1. Слишком низка квантовая эффективность обнаружения.
2. Слишком высока требуемая мощность накачки.
3. Слишком жестки присущие методу ограничения поля зрения.
4. Требуется специальное устройство для вычитания потока от фона.
5. Существуют присущие данному методу ограничения в разрешающей способности.

Мильтон также сделал вывод, что метод параметрического преобразования с повышением частоты больше подходит для лазерной инфракрасной локации и для активных средств получения изображения с импульсной лазерной подсветкой. Подробные обобщающие сведения о данном методе содержатся в статьях [40-42].