Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров
Тепловизоры — устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.
В отличие от изображений в видимой ни ближней инфракрасной областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов.
Первым тепловизором условно можно считать эвапорограф, в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография — регистрация испарением).
В основу устройства эвапорографа были положены опыты Джона Гершеля, который использовал для эвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со стороны, обращенной к наблюдаемому объекту (1840 г.).
В эвапорографе Черни (1927 г.) использовалось не испарение спирта, а возгонка нафталина и камфары. Во время второй мировой войны в Германии был создан усовершенствованный вариант эвапорографа Черни — EVA. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в 1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла около 1 °С.
Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджеограф. Принцип его действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволял фиксировать перепады температур порядка ICC при разрешающей способности 2 лин./мм и постоянной времени 2 мс.
В послевоенный период в ряде стран началась разработка сканирующих тепловизоров, в которых использовался метод развертывающего преобразования, предложенный советским ученым Ф. Е. Темниковым. В начале этого периода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передающие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико- механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля. С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа поля Tk > 20 с), среднескоростные (0,5 с < Tk < 20 с) и высокоскоростные (Tk < 0,5 с).
Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потстдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции — тепловизор с фоторезистором, в США — авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В. И. Ленина.
С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название FLIR (от первых букв английских слов Forward Looking Infra-Red — инфракрасные приборы переднего обзора).
В одной из первых наземных систем FLIR с оптико-механическим сканированием использовались две вращающиеся преломляющие призмы для получения спиральной развертки с одноэлементным ПИ на основе антимонида индия (InSb). Мгновенное поле составляло 1 мрад при общем поле зрения 0,087 рад (5°), кадровая частота 0,2 кадра/с, разрешающая способность по температуре 1 °С [56]. Опытные образцы самолетных систем FLIR были созданы и прошли летные испытания в 1965 г. Результаты были успешными, и в последующий период (1965—1975 гг.) было разработано несколько десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].
Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных ПИ, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности.
В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от 8 до 14 мкм. Каждый приемник содержит несколько сотен чувствительных элементов и охлаждается до температуры 77 К адиабатическим микрохолодильником Джоуля-Томсона, работающим в замкнутом цикле рекуперации.
Для упрощения общей схемы прибора применяют линейную мозаику приемников и сканирование, осуществляемое вращающимся барабаном с зеркальными гранями, либо колеблющимся зеркалом. Например, поисковая головка малогабаритной системы FLIR американской фирмы «Аэроньютроник Форд», выполнена в виде цилиндра диаметром 100 мм, длиной 130 мм и массой 1,36 кг. Система обеспечивает углы обзора по азимуту 30 и по углу места 40° с угловой разрешающей способностью 2 мрад. ПИ (на основе теллурида кадмия и ртути) состоит из 20 чувствительных элементов. Спектральный диапазон чувствительности 8...12 мкм; температурная чувствительность 0,01... ...0,05 °С. Устройство охлаждения массой 2,72 кг поддерживает температуру приемника вблизи 83К.
Иначе выполнены тепловизоры с фотоэлектронной системой сканирования. Здесь изображение исследуемого теплового поля проецируется на фотокатод телевизионной передающей трубки, а затем «просматривается» электронным лучом, управляемым электрическим или магнитным полем. Несмотря на преимущества фотоэлектронной системы сканирования по сравнению с оптико-механической (в частности, возможность наблюдения быстро пересмещающихся объектов), разработка тепловизоров с фотоэлектронной системой сканирования шла медленно. Причиной тому было отсутствие малогабаритных и высокочувствительных передающих телевизионных трубок, способных регистрировать собственное излучение низкотемпературных объектов.
Сообщение об одной из ранних разработок телевизионной трубки с длинноволновой границей чувствительности около 2 мкм появилось в 1959 г. [39]. В трубке использовалась мишень из кремния, легированного золотом, работающая при низких температурах. Однако достаточно высокой чувствительности получить не удалось. В 1962 г. был разработан инфракрасный видикон с длинноволновой границей чувствительности 2 мкм, имеющий мишень из сульфида свинца [39], а в 1969 г.— видикон с мишенью из PbS—РbО и мозаичной мишенью из германиевых фотодиодов. Обе трубки нуждались в охлаждении и дополнительном подсвете рассматриваемой картины.
В 1971 г. появились телевизионные передающие трубки с одномерной и двумерной мозаикой из фотодиодов на основе арсенида индия со спектральной чувствительностью от 2,5 до 3,4 мкм. Исследования показали, что эти трубки могут удовлетворительно работать в диапазоне 3...5 мкм при наблюдении объектов на земных фонах.
Было предпринято несколько попыток разработки чувствительных в инфракрасной области спектра трубок по образу электронно-оптических преобразователей (термикон, фильтерскан, сервал, болокон и др.), но все они имели малую температурную чувствительность и в дальнейшем не получили широкого применения. И только изобретение пирикона — передающей телевизионной трубки с пироэлектрической мишенью открыло новые перспективы создания тепловизоров, способных без каких-либо устройств охлаждения наблюдать низкотемпературные объекты по их собственному излучению. В 1966 г. в СССР была впервые создана передающая телевизионная трубка с пироэлектрической мишенью. С ее помощью были получены изображения простейших фигур (круг, крест и т. п.).
Тепловые изображения, получаемые с помощью телевизионных передающих трубок-пириконов, в отличие от видимых изображений, практически не имеют теней, поэтому пространственное восприятие объектов ухудшается. Кроме того, яркие участки видимого изображения могут оказаться темными в тепловом изображении и наоборот. Тем не менее область применения тепловизоров с пириконами все время расширяется.
Развитие технологии тонкопленочных транзисторов в 60-е годы стимулировало разработку твердотельных матриц, отдельные элементы которых сканировались по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью сдвиговых регистров, располагаемых по краям матрицы. Одновременно была доказана принципиальная возможность преобразования оптических сигналов в электрические с помощью кремниевой структуры, состоящей из набора фототранзисторов. Таким образом, исследования, выполняемые в 60-е годы, наметили пути создания «самосканирующихся» твердотельных приборов.
В начале 70-х годов появились приборы с зарядовой связью (ПЗС), работающие как аналоговый сдвиговый регистр. ПЗС состоит из трех частей: 1) источника неосновных носителей, потенциалом которого можно управлять, и затвора, который может контролировать поступление зарядов из источника носителей в первую потенциальную яму; 2) узла переноса, состоящего из последовательностей электродов; при определенном чередовании напряжений на электродах потенциальные ямы (а с ними и зарядовые пакеты) перемещаются к выходу; 3) выходного узла, напряжение на котором зависит от поступающего зарядового пакета. Этот узел обычно подключается к МОП-усилителю. Таким образом, ПЗС позволяют осуществить линейный перенос сгруппированных на отдельных участках зарядов от одного элемента к следующему до достижения ими края матрицы. Здесь заряд детектируется как переменный во времени видеосигнал.
В 70-е годы появились приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), у которых в процессе считывания используется не междуячеечная, а внутриячеечная зарядовая связь. Эти приборы используются в последних образцах тепло-
У большинства современных тепловизоров изображение наблюдаемого объекта воспроизводится на экране электронно-лучевой трубки. Тепловое изображение создается за счет собственного теплового излучения объекта и определяется, в основном, различиями в температуре и излучательной способности его элементов. Поэтому создаваемое тепловизором изображение лишь условно отображает форму и размеры рассматриваемого объекта.
Зрительный аппарат человека обладает особенностями, влияющими на эффективность восприятия информации, заключенной в тепловизионном изображении. Угол зрения глаза, в пределах которого качество видения удовлетворительное, составляет примерно 30° по углу места и 40° по азимуту. Поэтому соотношение сторон кадра в тепловидении (телевидении) принято 3X4. Диапазон яркости, в котором глаз может нормально работать, составляет девять порядков, а диапазон чувствительности — десять.
Простейшей мерой визуального разрешения является острота зрения — величина, обратная угловому размеру разрешаемой глазом детали, выраженному в угловых минутах. Максимальную остроту зрения принимают равной 1/1'; она реализуется только при высокой яркости рассматриваемой картины.
Острота зрения резко снижается, когда объект смещается с линии зрения. Хорошее видение обеспечивается в пределах желтого пятна сетчатки (примерно 9°) и очень хорошее — в пределах центральной части сетчатки (1 ...2°). Угловой размер экрана индикатора тепловизионной системы обычно выбирается не выше 9°. Острота зрения убывает с уменьшением времени экспозиции.
Частотно-контрастная характеристика глаза на частотах, превышающих 0,2 мрад -1, аппроксимируется выражением тепловизоров, предназначенных для наблюдения различных низкотемпературных объектов.
Одна из возможных схем классификации тепловизоров показана на рис.
Классификация тепловизоров
