книги из ГПНТБ / Данилин Н.С. Теория и методы неразрушающего инфракрасного контроля радиоэлектронных схем

потенциал элемента мишени при облучении, тем больше электро­ нов используется для компенсации этого потенциала и, следова­ тельно, тем меньше электронов, отразившихся от мишени, попа­ дает на коллектор. Значит, ток коллектора будет зависеть от сте­

заряда на мишени ее удельное сопротивление должно быть вели­ ко ( 10 10 ом-см), а полупроводник с большим удельным сопротив­ лением не имеет фоточувствителыюсти е длинноволновой области спектра, где энергия кванта весьма мала.

Существующие модели видикона чувствительны к излучению с длинами волн до 2 мкм и позволяют наблюдать объекты, собст­ венная температура которых не ниже 150°С.

Трудности создания телевизионных ИК трубок и желание реа­ лизовать преимущества систем с накоплением заставляют пред­

нием близки устройства со сканированием световым пучком. При­ мером такого устройства является термоэлектронный преобразо­ ватель изображения — (трубка термином). Приемная поверх­ ность термикона состоит из очень тонкой, свободно закрепленной пленки, покрытой с одной стороны слоем, поглощающим ИК излу­ чение, которое направляется на него объективом, а с другой — специальным фотоэлектрическим слоем. Фотослой приготовлен из материала, фотоэлектрическая эффективность которого зависит от температуры.

Объективом на фотослой проецируется изображение яркого светящегося пятна, движущегося по экрану индикатора, по задан­ ному закону, определяемому током, который поступает в откло­ няющие катушки индикатора от генератора развертки. В зависи­ мости от положения светящегося пятна на фотослое и распределе­ ния температуры по поверхности количество эмитируемых элект­ ронов и фототок в цепи кольцевого коллектора изменяются на

2—3% на каждый градус изменения температуры. Изменение фототока усиливается усилителем, выходной сигнал которого воз­ действует на модулирующий электрод второго индикатора. В от­ клоняющие катушки индикатора поступает сигнал от генератора, общего для индикаторов. Таким образом, на экране второго ин­ дикатора можно получить изображение предмета, не видимого глазом.

Максимальная разрешающая способность термикона огранш чивается теплопроводностью вдоль поверхности и зависит от вели­ чины температурных перепадов, которые желательно зарегиетри-

120

ровать. При Д-Т=1° максимальное разрешение оказывается рав­ ным 50 линиям на всю картинку.

В оптико-механических сканирующих устройствах процесс ска­ нирования осуществляется в результате изменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последова­ тельно анализируется мгновенным полем зрения оптической систе­ мы. Сканирование может производиться качанием всей системы

.пли щелыо, движущейся в фокальной плоскости. Такое сканирова­ ние было использовано Нипковым для систем механического теле­ видения. Изменять направление оптической оси можно также оп­ тическими элементами — вращающимися или качающимися зер­ калами, призмами и клиньями.

Рассмотрим некоторые основные соотношения, характеризую­ щие общие свойства приборов с оптико-механическим сканирова­ нием. Если перед объективом прибора установлено вращающееся N-гранное зеркало (рис. 6.1), то угол сканирования (угловой раз­

может быть и нелинейной. Если перед объективом установить два оптических клина и вращать их навстречу друг другу, можно обес­ печить сканирование по прямой, причем угол отклонения луча а

121

будет связан с углом поворота каждого клина |3 соотношением

сканирование только по прямой или по дуге окружности. При ис­ пользовании двух зеркал, наклоняющихся во взаимно перпендику­ лярных плоскостях, или одного зеркала, качающегося вокруг двух осей, можно получить растровую развертку. С помощью двух пар клиньев, вращающихся с различными скоростями, можно полу­ чить развертку по любой из фигур Лиссажу. Если каждый из клиньев вращать в одном направлении, но с разными скоростями, можно получить развертку по спирали и т. д. Возвращаясь к схе­ ме сканирования с зеркалами, отметим, что если зеркало повора­

как размеры зеркала в этом случае должны быть бесконечно боль­ шими. Лишь в пределах ограниченного угла поворота зеркала не наступает ограничения падающего на приемник потока излучения, г. е. сохраняется полный действующий диаметр объектива. Таким образом, угловой размер «строки» (угол поля обзора) составляет некоторую часть угла 7 :

щего устройства и режима работы электрической схемы, которая может быть «открыта» для прохождения сигнала лишь в течение

122

§ 6.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР ДИАМЕТРА И СВЕТОСИЛЫ ОБЪЕКТИВА

На рис. 6.2 изображена обычная схема расположения источни­ ка излучения и приемного устройства, сканирующего радиометра,

ист.

визирования составляет угол а с нормалью к излучающей поверх­ ности, подчиняющейся закону Ламберта.

Поток излучения, попадающий на объектив прибора,

в атмосфере и в оптической системе, поскольку предполагается,

123

где RH— интегральное значение энергетической светимости ис­ точника:

/?H= J/-(X )d b ^ MaKeJ ? (/.)dX;

ио

/'макс— максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости;

ностыо длины волны может быть назван эффективной спектраль­

па селективный приемник лучистого потока с заданным спектраль­ ным распределением эквивалентно действию излучения с постоян­ ной спектральной плотностью энергетической светимости гмакс на приемник, имеющий прямоугольную спектральную характерис­ тику с раствором Д).Эф.

Величина потока излучения, падающего на приемник, зависит от соотношения между размерами изображения источника и при­ емника излучения.

поток излучения, падающий на приемник, ограничивается разме­ рами приемника, величина этого потока пропорциональна квадра­ ту относительного отверстия объектива и не зависит от диаметра

124

то поток излучения, падающий на приемник, ограничивается раз­

значение только диаметр оптической системы, а при регистрации излучения объектов большой площади существенно лишь относи­ тельное отверстие. Эти рассуждения справедливы в случае доста­ точно сильных сигналов, когда можно не считаться с шумами приемника излучения и оценивать возможности системы по вели­ чине падающего на приемник потока излучения. При предельно малых сигналах будет зарегистрирован лишь тот поток излучения,

лосы пропускания тракта усиления и площади приемника излуче­

Л/шЧ^отн(/)*от„2( / И /

и

—шумовая полоса пропускания тракта усиления;

Гот„ (/) — относительная спектральная плотность шума;

А0ти( / ) — относительная частотная характеристика усилите­ ля фототока.

125

Соотношение проявляется во всех случаях, когда Чувствитель­ ность приемника ограничена фотонным шумом. Его можно исполь­ зовать также, если преобладает токовый шум. Это соотношение справедливо и для случая фотоэмиссионных приемников, чувстви­ тельность которых ограничена дробовым шумом темпового тока. Джонс показал его применимость для фотопленки и глаза.

Учитывая соотношения (6.9), (6.11), можно найти минималь­ ную величину энергетической силы излучения малоразмерного ис­

и минимальное значение энергетической светимости источника из­

ном угловом разрешении необходимо обеспечивать максимальные значения диаметра и относительного отверстия оптической сис­ темы.

Роль конденсора. Иммерсионный приемник

Чувствительность приемников излучения непостоянна по ра­ бочей площадке. Исследования распределения чувствительности показывают наличие в пределах рабочей площадки отдельных зон, чувствительность которых составляет 10—2 0 % максимального зна­ чения.

Неравномерность чувствительности приемника по поверхности может вызвать нежелательные эффекты резкого изменения сигна­ ла, вырабатываемого приемником, при перемещении малоразмер­ ного источника излучения в поле зрения. Чтобы избежать этого яв­ ления, применяют конденсор, проецирующий на приемник вход­ ной зрачок объектива так, как это показано на рис. 6.3. Примене­ ние конденсора позволяет вынести приемник из плоскости изо­ бражения, чтобы поместить в эту плоскость модулирующий диск.

Выбор основных параметров оптической системы с конденсо­ ром должен осуществляться с учетом условия синусов, в соответ­ ствии с которым имеем

126

где й, и По— показатели преломления сред, где расположены источник излучения и его изображение;

п— показатель преломления среды, где расположен приемник излучения;

d — диаметр входного зрачка объектива;

/об— линейное поле зрения объектива в плоскости изо­ бражения; !

8 — угол мгновенного поля зрения объектива; «об— апертурный угол объектива; ипр— апертурный угол приемника.

Обычно n1= по= п= 1, и энергетического выигрыша применение конденсора не дает. Существенно улучшить энергетические ха­ рактеристики системы можно, если выбрать п>1. В этом случае приемник излучения монтируется непосредственно на конденсорной линзе так, что между приемником и линзой существует хоро­ ший оптический контакт. Такой приемник излучения называют иммерсионным. Его применение может обеспечить различный энергетический выигрыш в зависимости от назначения аппара­ туры.

В том случае, когда мгновенное поле зрения б задано, линей­ ный размер приемника излучения при использовании иммерсии можно уменьшить в п раз:

Порог чувствительности приемника пропорционален его ли­ нейным размерам, поэтому при неизменных диаметре и относи­ тельном отверстии объектива порог чувствительности прибора

1 97

т. е. его порог чувствительности, увеличить угол поля зрения в п раз:

т. е. при прежнем относительном отверстии порог чувствительно­ сти системы улучшается в п2 раз, а при прежнем пороге чувстви­ тельности можно уменьшить относительное отверстие в п раз.

§ 6.3. МИНИМАЛЬНАЯ РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР, ОБНАРУЖИВАЕМАЯ СКАНИРУЮЩИМ РАДИОМЕТРОМ

Минимальная энергетическая светимость источника излучения, еще обнаруживаемая прибором, определяется уравнением (6.5).. Обычно интерес представляет не абсолютная величина энергети­ ческой светимости объекта, а разность энергетических светимостей последовательно визируемых объекта и фона. При сканировании поля обзора происходит сравнение излучений, поступающих з прибор в соседние промежутки времени.

Разность излучений должна сопоставляться с порогом чувст­ вительности аппаратуры. При этом необходимо учитывать, что разностный сигнал возникает в схеме не мгновенно, а нарастает со скоростью, зависящей от постоянных времени приемника излуче­ ния и соответствующей электросхемы. Если скорость скаиирова-

128

имя велика, а размер регистрируемого объекта мал, выходном сигнал может и не достичь своего максимального установившегося значения,

В общем случае отношение сигнала к его установившемуся значению определяется некоторой функцией длительности импульса и постоянных времени приемника излучения и усилителя. В пер­ вом приближении инерционность системы учитывается экспонен­

Е — 0,82 J <р(Х)5(Х) та т0х ~ .

о