5. 3. Фокальные, «смотрящие» матрицы.
Мечтой разработчиков тепловизоров является полный отказ от механического сканирования. Необходима двумерная система фоточувствительных элементов – матрица, «смотрящая» матрица больших размеров. Тепловизоры на основе таких матриц не требуют оптического сканирования при формировании сигнала изображения и должны реализовывать преимущества обработки фотосигнала, связанные с большим временем его накопления. Последнее в пределе может быть равно времени кадра, которое, как правило, определяется инерционностью человеческого глаза. Применение «смотрящих» матриц позволяет существенно уменьшить габаритные размеры энергопотребления, упрощает требования к оптической схеме тепловизионной системы.
В видимой области спектра задача была решена в 1971 г. Бойлем и Смитом, изобретателями кремниевых приборов с зарядовой связью. В настоящее время наиболее значительные успехи в области создания матричных фотодетекторов ИК-диапазона с высокими пороговыми характеристиками достигнуты на пути разработки высококачественных фотодиодов на основе HgCdTe, которые являются основными элементами для создания фокальных матриц. Созданы «гибридные» фотоматрицы. Термин «гибридные» означает, что отдельно изготавливаются фотоматрица из чувствительных элементов и матрица, представляющая собой сверхбольшую интегральную схему на основе кремния для считывания и обработки сигналов чувствительных элементов. Эти матрицы стыкуются при помощи множества микроконтактов из индия. Квантовая эффективность этих матриц близка к единице. В настоящее время – это продукт самой высокой технологии, матрицы имеют формат 256х256 или 512х512 элементов.
Сложность изготовления и большая стоимость этих матриц заставила разработчиков искать альтернативные пути создания «смотрящих» матриц. Определённые трудности представляет стыковка габаритной фотодиодной матрицы из HgCdTe с кремниевой микросхемой. В специальной литературе можно ознакомиться с анализом процессов считывания и накопления сигналов. В последние годы большие успехи были достигнуты при создании фотоматриц из микроболометров. К тому же эти фотоприемники не требуют охлаждения.
Обычно чувствительные элементы фотоэлектрических ИК-фотоприёмников имеют предельные характеристики по чувствительности и шумам только при достаточном охлаждении. Поэтому в состав тепловизоров входит микрокриогенное устройство. Оно представляет собой малогабаритное газовую холодильную машину, работающую на основе термодинамических циклов или теплообменник на основе эффекта Джоуля-Томсона. Для ручных приборов ночного видения используются термоэлектрические охладители на эффекте Пельтье.
Пороговые характеристики фотонных детекторов выше, чем болометрических фотоприёмников. В квантовых фотодетекторах при межзонном поглощении ИК-излучения каждый поглощённый фотон генерирует электронно-дырочную пару, которая и определяет фототок. В тепловых, болометрических, фотоприёмниках энергия поглощённого фотона перераспределяется между всеми подсистемами кристалла. Поэтому чувствительность тепловых приёмников ниже, чем квантовых; тепловые приёмники также и более инерционны. В последнее время создаются фоторезисторы для ИК области спектра на основе квантово-размерных эффектов – структуры на квантовых ямах, QWIP –структуры, с числом элементов 256х256 и 640х480. Эти структуры создаются на основе эпитаксиальных слоев GaAs/AlxGa1-xAs, которые более технологичны по сравнению с фокальными матрицами на основе HgCdTe, но в тоже время требуют более низкой температуры охлаждения (примерно на 10 градусов) для достижения режима ограничения фоном. Однако фотоприёмники на основе квантово-размерных эффектов имеют значительные преимущества по инерционности, достигая величин нескольких пс. Таким образом, разработка фокальных матриц длинноволнового ИК-диапазона с большим временем накопления фотосигнала (в пределе, равном постоянной времени человеческого глаза) является актуальной задачей.
В заключение этой главы остановимся коротко на основных принципах работы бытовых приборов ночного видения. Принципиальная схема современного прибора ночного видения представлена на рис. 32.
Рис. 32. Принципиальная схема прибора ночного видения.
Оптическая система обеспечивает фокусировку оптического изображения на приемное устройство – фотокатод, который входит в состав электронно-оптического преобразователя (ЭОП). ЭОП – электровакуумный прибор, преобразующий изображение, создаваемое на фотокатоде, в видимое изображение на флуоресцирующем экране. Фотоэлектроны полем в несколько кВ устремляются к люминесцирующему экрану (люминофору), на котором формируется изображение. Излучение люминофора проходит через фокусирующую систему линз и попадает в глаз наблюдателя. В настоящее время применяются ПЗС – фотоприемные устройства в замен люминофорам. Приборы ночного видения работают в области спектра (546 – 900) нм и имеют небольшие размеры - длину (75 – 80) мм.
Некоторые применения тепловизоров:
-тепловые карты местности, получающиеся с помощью тепловизионной аппаратуры, дают ценную информацию об утечке тепла из трубопроводов, утечке природного газа и т. д.,
-возможность обнаружить утечку тепла из зданий,
-для машиностроения полезна диагностика распределения температур,
-для микросхемотехники решается проблема распределения температур по микросборками и по аппаратуре в целом,
-применение тепловизора в медицине, с помощью которого можно снять термограмму человека или отдельных его органов, получить мгновенное распределение температуры.