книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

деление температур в виде изотерм, выделенных на термо­

на рис. 67, б; для этого используются 8 цветных светофильт­ ров, которые автоматически вводятся один за другим пе­ ред камерой с пленкой 35 мм после каждой экспозиции изо­ бражения.

Инфракрасные микропиро­ метры. Приборы этого класса

стве примеров таких изделий можно привести некоторые интегральные схемы, площадь поверхности которых доходит до 1 мм2 , причем на ней раз­ мещаются десятки диодов, транзисторов, резисторов и т. д., а электрические соеди­ нения представляют собой тончайшие пленки шириной

внесколько микрон. Для Рис. 68. Оптическая схема

должна использоваться оптика, подобная применяемой в микроскопах. При этом оптика микропирометра должна быть обязательно отражательной, с постоянным (как у микроскопов) фокусным расстоянием; при наблюдении объекта фокусировка осуществляется регулированием рас­ стояния между объектом и объективом прибора.

В настоящее время описано [33, 53 ] несколько конструк­ ций подобных приборов. Микропирометр состоит из двух основных блоков: оптического блока (инфракрасного мик­ роскопа) и электронного блока (усилителей, индикатора,

139

устройств контроля). Примером конструкции такого рода может служить микропирометр американской фирмы Bar­ nes, оптическая схема которого показана на рис. 68. Опти­ ческий блок имеет два канала — инфракрасный и визу­ альный. Инфракрасный канал содержит обычные элементы инфракрасного пирометра: зеркальный объектив 11, моду­ лятор 9, приемник излучений 8. Визуальный канал содер­ жит германиевое зеркало 10, отражающее видимые излу­ чения в сторону окуляра 4 и пропускающее инфракрасные излучения в сторону приемника <5. В визуальном канале имеется также оптика для освещения объекта — малень­ кая лампочка 6, теплопоглощающее зеркало 7, ахроматиче­ ский конденсор 5, отклоняющие зеркала 1 и 2, а также координатная сетка 3 с перекрестием нитей, определяющая место наблюдаемого микроучастка.

Для определения опорной разности температур имеется эталонный источник излучений (малогабаритное черное тело), оптический сигнал от которого периодически вво­ дится зеркальным модулятором 9.

В микропирометре Barnes используются два приемника излучений: либо гипериммерсионный полупроводниковый болометр, либо фоторезистор InSb, охлаждаемый жидким азотом (77 К). Площадь чувствительной площадки в опи­ сываемом микропирометре Barnes ап = 0,5 х 0,5 мм2 . В микропирометрах используются также фоторезисторы из PbS, охлаждаемые твердой углекислотой, с а„ = 0,1 х X 0,1 мм2 и темновым сопротивлением около 1 МОм [53], a также из германия, легированного золотом (Ge : Au) и

Сканирование по объекту в некоторых приборах осу­ ществляется установленным перед объективом качающимся плоским зеркалом, поворачивающимся на небольшой угол (порядка 3°) и совершающим просмотр вдоль строки; про­ смотр по кадру создается более медленным перемещением всего объекта (интегральной схемы и т. п.) в перпендику­ лярном направлении. В микропирометре Barnes имеется сравнительно простое устройство для ручного микромет­ рического перемещения объекта по двум координатам.

Электронный блок содержит схемы для усиления и фор­ мирования сигнала, идущего с выхода приемника. Инди­ каторное устройство дает яркостную картину или кривые температурных профилей по отдельным строкам.

140

тива, ср; кг — коэффициент эффективности системы; А0 — разре­ шаемая площадь объекта, см2 ; дЦдТ — частная производная по температуре от энергетической яркости черного тела с учетом спектральной чувствительности приемника и спектральных харак­ теристик оптики, причем

где S (к) — спектральная чувствительность приемника и оптики; S (^)max — спектральная чувствительность при длине волны в мак­ симуме; дЬ^ (КТ)/дТ — частная производная спектральной плотно­

сти энергетической яркости черного тела, В т - с р — ' - с м - 2 - м к м — ' - К - Коэффициент эффективности /гх с учетом потерь в оптической системе, уменьшения сигнала при отражении, шумов усилитель­

ного тракта и других видов потерь составляет 4,5.

Линейное разрешение объектива определяется отношением размера чувствительной площадки приемника к увеличению и

141

дифракцией. С хорошим приближением линейное разрешение Л/Ѵ

142

до 100 линий и более; оптическое увеличение 7,6 — 14; глубина резкости + 20 мкм.

На рис. 70 показаны термограмма (а) и обычная микро­ фотография (б) (при увеличении 10х ) транзистора 5—А, рассеивающего мощность 2 Вт, а на рис. 71 — термограмма

(а) и обычная микрофотография (б) (при увеличении 50х ) интегральной схемы с поверхностью 1 X 1 мм2 . Белые об­ ласти на термограммах показывают участки с наибольшим излучением. Если известны коэффициенты излучения эле­ ментов объекта, то при использовании серой шкалы могут быть определены значения температуры в отдельных точ­ ках.

27. Приборы со сканированием электронным лучом (инфракрасный видикон] [52]

Телевизионная передающая трубка типа видикон, схема которой показана на рис. 72, имеет чувствительную к ин­ фракрасным излучениям поверхность (мишень) 4 в виде тонкой полупроводниковой пленки 3 с высоким темновым сопротивлением, нанесенной на полупрозрачной проводя­ щей подложке 2 и на прозрачном окне из сапфира /. На про­ тивоположном конце трубки находится катод — электрон­ ная пушка 7, испускающая пучок электронов (электронный луч) со сравнительно небольшой скоростью. Электроны, возвращающиеся с мишени 4, попадают в коллектор 6 (электронный умножитель, основанный на вторичной эмис­ сии), расположенный коаксиально с пушкой. Фокусировка электронного луча осуществляется осевым магнитным по­ лем, создаваемым катушкой 9, внутри которой располо­ жена трубка. Отклонение луча при сканировании мишени создается системой отклоняющих колец 5 и 8, образующих поле, перпендикулярное к лучу.

Инфракрасный видикон действует так: вначале, когда трубка находится в темноте, малый элемент чувствитель­ ного слоя, на который попадает в данный момент электрон­ ный луч, под его воздействием получает нарастающий отрицательный заряд, уравнивающийся с потенциалом катода (электронной пушки). Электроны с получившего отрицательный заряд элемента'полупроводниковой поверх­ ности возвращаются обратио^и собираются коллектором умножителя. Как только в процессе сканирования элек-

144

тронный луч смещается с данного элемента чувствительного слоя, темновой ток, протекающий между проводящей под­

Положительная подзарядка элемента слоя продолжается до тех пор, пока электронный луч не вернется в процессе

1500В

Рис. 72. Схема инфракрасного видикона

При инфракрасном облучении мишени элемент ее по­ верхности, имеющий более высокую энергетическую ос­ вещенность, благодаря проводимости фотослоя успевает зарядиться до более высокого положительного потенциала за время, пока электронный луч, сканирующий мишень, вернется к этому элементу (за время кадра). Следовательно, когда электронный луч проходит по этому элементу и воз­ вращает его к равновесию (к потенциалу катода), в луче компенсируется за счет положительного заряда элемента большее число электронов и меньшее число электронов возвращается к коллектору. Таким образом, ток коллек­ тора, изменяющийся при сканировании мишени, будет зависеть в каждый момент от энергетической освещенности того элемента мишени, который сканируется в этот момент; при этом меньшие значения тока коллектора будут

145

соответствовать большим освещенностям, а большие — меньшим освещенностям. Ток коллектора является видео­ сигналом, создающим после усиления на экране ЭЛТ ви­ димое изображение, соответствующее инфракрасному изо­ бражению наблюдаемого объекта, сфокусированному на

красного видикона, показанное на рис. 73, определяется главным образом чувствительностью РЬО и имеет макси­ мум в видимой части спектра. Однако имеется и второй, меньший максимум около 2,1 мкм, определяемый чувстви­ тельностью PbS; он и используется для получения инфра­ красного изображения объектов, нагретых до 150° С и выше, по их собственному излучению.

В настоящее время ведутся разработки мозаичных по­ лупроводниковых систем, которые должны заменить ви­ дикон в камере для получения инфракрасного изображе­ ния. Так, в США фирмой «Вестингауз электрик» [17] из­ готовлено воспринимающее устройство, представляющее, тонкую кремниевую пластинку площадью 6,4 см2 , состоя-"' щую из 2500 элементарных микроплощадочек, включаемых попеременно по сигналам простого логического счетного устройства. Каждый отдельный элемент собран на трех­ слойном фототранзисторе, управляющем протекающим че- 4

146

рез него током. Ток в свою очередь модулируется инфра­ красным излучением, падающим на каждый элемент. Вы­ ходной сигнал каждого элемента усиливается видеоусили­ телем и подается на экран ЭЛТ. Предполагается, что в даль­ нейшем на площадке таких же размеров будет размещаться до 40 тысяч чувствительных элементов мозаики, что будет соответствовать разложению кадра на 200 строк.

28. Приборы со сканированием световым пучком (термикон) [33]

Термикон представляет собой инфракрасный преобра­ зователь изображения — вакуумную трубку, схема ко­ торой показана на рис. 74. Внутри трубки расположен фо-

щим электроны слоем, интенсивность эмиссии которого зависит от температуры.

Объектив 01, направляет инфракрасные излучения от наблюдаемого объекта через прозрачное для них окно трубки на поглощающую поверхность пленки Я , в плоско­ сти которой создается тепловое изображение объекта.

147