Тепловизоры - Тепловизоры с оптико-механическим сканированием

ТЕПЛОВИЗОРЫ С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОВИЗОРОВ С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ

Для получения видимого изображения теплоизлучающего объекта в тепловизорах с оптико-механическим сканированием осуществляют разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площадок. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ мощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ, с выхода которого последовательно во времени снимаются сигналы, содержание информацию о теплоизлучающем объекте и окружающем его фоне. Таким образом, двумерное распределение яркостей в пространстве объектов е результате сканирования преобразуется в одномерное распределение напряжения на нагрузочном резисторе ПИ.
Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видео- контрольного устройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изображение. Чаще всего в качестве индикатора ВКУ используют электронно-лучевую трубку (кинескоп). Так как в каждый момент времени на экране кинескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения электронного луча кинескопа должен быть идентичен закону развертки, что достигается применением синхронизирующих элементов.
Принцип действия тепловизора с оптико-механическим сканированием заключается в следующем. Тепловое излучение объекта 1 (рис. 1) и окружающего его фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор и наблюдаемый объект, фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет развертку объекта, последовательно направляя на ПИ изображения различных элементов объекта. После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем 5, сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображение объекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ поступают также сихронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ со сканирующим устройством.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием

Структурные схемы реальных тепловизоров более сложны, чем рассмотренная схема. Кроме упомянутых основных элементов тепловизора в его состав могут входить вспомогательные элементы (устройства информационно- измерительного обеспечения, элементы стабилизации видеосигнала, дополнительный монитор с увеличенными размерами экрана, стробирующее устройство для получения неподвижных термограмм вращающихся объектов, насадки, позволяющие производить фото- и киносъемку с экрана кинескопа и др.).
Как правило, в тепловизорах с оптико-механическим сканированием объектив, сканирующее устройство и ПИ скомпонованы в одном блоке, называемом тепловизионной камерой; усилитель и преобразователь видеосигналов, а также ВКУ — во втором блоке. Возможно объединение обоих блоков или размещение первых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где располагаются элементы синхронизации, связанные кинематически со сканирующим устройством.
Одним из главных элементов тепловизоров с оптико-механическим сканированием, определяющим их температурную чувствительность и максимальную дальность действия, является приемник инфракрасного излучения. В тепловизорах применяют два вида приемников: одноэлементные и многоэлементные. Чувствительные элементы приемников представляют собой фоторезисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего на «их излучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре пленочные (PbS, PbSe) и монокристаллические (InSb, HgCdTe) фоторезисторы. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с понижением температуры чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до температуры 77...195 К, используя для этого специальные охлаждающие устройства (криостаты, термоэлектрические холодильники, устройства, основанные на эффекте Джоуля-Томсона, и др.).
Главным параметром приемников инфракрасного излучения является порог чувствительности — минимальный поток излучения, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов, или превышающий его в заданное число раз. Так как напряжение шумов фоторезистора пропорционально корню квадратному из произведения площади чувствительного элемента ЧЭ на ширину полосы пропускания частот электронной схемы Усиления сигнала, порог чувствительности измеряется в ваттах на сантиметp-герц в степени 1/2 (Вт • см"1 • Гц-1/2). Величина, обратная порогу
чувствительности, называется обнаружительной способностью, обозначается буквой D (от слова Detectivity) и измеряется в см • Гц1/2 • Вт-1.
Главной характеристикой ПИ является спектральная зависимость порога чувствительности или обнаружительной способности от длины волны монохроматического излучения. Эта характеристика определяет эффективность приема излучения от объекта с заданным распределением мощности излучения по спектру.
У фоторезисторов на основе PbS обнаружительная способность при комнатной температуре (3...10) • 10¹⁰ см • Гц,/2 • Вт-1. Прн охлаждении чувствительного слоя максимум чувствительности возрастает в 3...6 раз, а длинноволновая граница чувствительности смещается в сторону более длинных волн. Эти приемники используют в диапазоне 0,6...4 мкм.
У фоторезисторов из PbSe при охлаждении чувствительного слоя до 78 К обнаружительная способность достигает 10¹⁰ см • Гц1'2 • Вт-1. Спектральная характеристика указывает на возможность применения этих фоторезисторов в спектральном диапазоне 2...6 мкм.
Фоторезисторы из InSb являются наиболее завершенными и чувствительными для использования в спектральном диапазоне 3...5 мкм. При комнатной температуре максимальная чувствительность приходится на длину волны 6,5 мкм, обнаружительная способность при этой длине волны 3 • 10-6см X Гц1/2 • Вт-1, длинноволновая граница чувствительности 7,5 мкм. При охлаждении до температуры 193 К обнаружительная способность увеличивается до 3 • 109см • Гц1'2 • Вт-1, а длинноволновая граница чувствительности уменьшается до 6,5 мкм.
Одномерные приемники на основе InSb изготовляют в виде линеек обычно из 10 ЧЭ квадратной формы со стороной квадрата 250 мкм и зазором между элементами порядка 25 мкм. Обнаружительная способность этих приемников, соответствующая длине волны 5 мкм, составляет 4,5 • 10¹⁰ см • Гц1'2 X X Вт-1, что близко к теоретическому пределу. Двумерные (мозаичные) приемники на основе InSb состоят из 100 и более одинаковых элементов; их обнаружительная способность в среднем 2,5 • 10¹⁰ см- Гц1/2 • Вт-1.

У фоторезисторов на основе HgCdTe спектральный диапазон чувствительности 8...13 мкм, максимальная обнаружительная способность 10¹⁰ смх X Гц,/2 • Вт-1 при длине волны 10 мкм. Так как монокристаллы HgCdTe допускают фотомеханическую обработку, из них можно изготовлять одно- и многоэлементные приемники с малыми размерами чувствительных площадок.
В табл. приведены параметры некоторых одноэлементных и многоэлементных приемников инфракрасного излучения, изготовляемых иностранными фирмами. Более полные сведения о приемниках содержатся в работах.

Параметры многоэлементных приемников из HgCdTe иностранного производства