Глава 5. Тепловидение. Тепловизор. Фокальные, «смотрящие» матрицы излучения.

5. 1. Основы тепловидения.

Зрение доставляет нам около 90% информации об окружающем мире, хотя чувствительность глаза ограничена очень узким спектральным диапазоном от 0.4 до 0.75 мкм. Человеку давно хотелось видеть лучше и больше, чем может видеть только глаз. Есть необходимость видеть ночью, при неблагоприятных атмосферных явлениях (туман, снегопад, песчаные бури и т.д.). Эту проблему возможно решить с помощью приемников излучения оптического диапазона. Инфракрасная область спектра на два порядка шире видимой и содержит соответственно большую информацию. Поэтому вполне понятно желание освоить методы получения оптической информации в ИК – области спектра, что стало одним из основных направлений развития оптики в последние десятилетия.

О собый интерес к ИК-области спектра объясняется тем, что все тела испускают тепловое излучение в соответствии с формулой Планка, и в основном оно находится в области спектра (3 – 20) мкм. Например, излучение тела с температурой ниже 420^оС уже совсем не видно, а в ИК-области оно дает хорошее излучение. Решается простая задача: необходимо «увидеть» предмет, температура которого отличается от температуры окружающей среды (фона). Фоном в этом случае служит излучение атмосферы, земли, окружающие данный предмет объекты. Направление оптики, в котором рассматривается проблема визуализации слабо нагретых объектов по их собственному ИК-излучению, получило название тепловидение. В спектре поглощения атмосферы имеются «окна прозрачности» - (3 – 5) мкм и (8 - 14) мкм (рис. 30). В основном приёмники излучения оптического диапазона для решения задач тепловидения разрабатываются на эти области спектра.

Рис. 30. Спектр пропускания атмосферы.

В видимой области мы привыкли к наличию больших контрастов между отдельными деталями наблюдаемых объектов. В ИК-области приходится иметь дело с температурными контрастами (0.1 – 0.01) К. Установлено, что различие в коэффициенте излучения на 1% эквивалентно разности температур 1 К.

В середине прошлого столетия начинают развиваться системы обнаружения, системы тепловидения, которые находят применение, как в военной, так и в гражданской тематике. Основной тенденцией развития фотоприемных систем нового поколения является увеличение площади чувствительной поверхности приемника излучения. Это обусловлено тем, что отношение сигнал/шум, т.е. основной параметр, определяющий пороговые характеристики приемной системы, зависит как корень квадратный из площади приемника. Требования же высокого пространственного разрешения не совместимо с большой приемной площадкой и приводит к необходимости применения многоэлементного приемника с плотной упаковкой отдельных элементов малого размера, что значительно усложняет задачу.

В 1956 г. впервые были проведены опыты по сканирование объектов с помощью одноэлементного приемника излучения. Скорость сканирования была не очень большой, что приводило к определенным трудностям. Лучшим вариантом является использование матрицы из элементов. Каждый приемник в этом случае воспринимает изображение в отдельной точке предмета. Если имеется матрица-линейка, то ее можно сканировать поворотом, например, зеркала по всему объекту. Далее с каждого элемента сигнал поступает на предусилитель, затем на линию задержки, на усилитель, на экран TV или светодиод. При этом необходим полупроводниковый материал однородный по своим свойствам. Все элементы должны иметь хорошую чувствительность, S ~ ÖN, N – число элементов. Значительно упрощаются эти проблемы в приемнике, предложенном Т. Эллиотом в 1974 г., СПРАЙТ – приемник (SPRITE – Signal Processing In The Element). СПРАЙТ – приемник представляет собой полоску фотопроводящего полупроводникового материала (обычно твердого раствора HgCdTe или антимонида индия), в котором подбором величины тянущего электрического поля достигается совпадение дрейфовой скорости фотоносителей и скорости перемещения изображения по поверхности этого фоторезистора. В этом случае время, в пределах которого происходит интегрирование приемником оптического сигнала, равно времени жизни фотоносителей в полупроводнике. Приемник можно представить в виде некоторой монолитной системы длиной ~ (0.8 - 1.5) мм, в которой непосредственно в фоточувствительной полоске осуществляются временная задержка и суммирование сигналов при последовательном сканировании изображения по строке элементов. Обнаружительная способность SPRITE – приемников увеличивается с ростом скорости съема информации. Рассеивание джоулева тепла является важным фактором, лимитирующим максимальную длину SPRITE – приемника. В отличие от обычных дискретных приемников излучения в системе с SPRITE – приемником пространственное разрешения по направлению сканирования определяется не его геометрическими размерами, а диффузионной длиной неосновных носителей заряда в материале чувствительной полоски. SPRITE – приемник из восьми линеек эквивалентен 100 – элементному прибору. Однако в последние годы из-за различного рода физико-технических причин SPRITE – приёмник не нашёл широкого применения.