Приборы подобные ЭОП широко используются в военной технике. Создание таких высокочувствительных приёмников излучения в том числе и ИК-излучения позволило построить специальные приборы -- теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому следу. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник теплового излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают излучение от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное ИК - излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.
2.4 ПП приборы с зарядовой связью
В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие телевизионных твердотельных систем, основу которых составляют ПЗС-приемники излучения, чувствительные в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК-диапазонах (обычно до = 1,1 мкм). Широкое распространение их в самых различных областях науки, гражданской и военной техники, промышленности, медицине и биологии и др. обеспечили высокое разрешение (размеры пикселов менее 10 мкм), большие форматы (756 х 581, 756 х 473, 658 x 496 и др.), возможность непрерывного управления экспонированием (от 1/60 до 1/50000 с); хорошая однородность чувствительности отдельных пикселов, большее, чем в ЭЛТ, отношение сигнал-шум, что улучшает качество изображения при низких контрастах, большой динамический диапазон сигналов, возможности изменять режим считывания практически в реальном масштабе времени, малые габариты, массы и энергопотребление, высокая надежность и длительное время наработки на отказ, наконец, сравнительно низкая стоимость и большая номенклатура выпускаемых промышленностью этих изделий, а также ряд других свойств.
В настоящее время в ближнем ИК-диапазоне используются преимущественно телевизионные системы на базе ГМП (ЭОП в сочетании с ПЗС-матрицей), способные работать в большом диапазоне освещенностей на входе (от до 107 лк) и имеющие разрешающую способность от 300 до 600 телевизионных линий при отношении сигнал - шум до 50 дБ.
Переход в область спектра 1,4... 1,7 мкм, где по сравнению с видимым диапазоном гораздо больше прозрачность атмосферы, а также контрасты яркостей многих объектов, наблюдаемых на естественных фонах, во многом связывается с разработкой МПИ на базе InGaAs. Компании «PixelVision, Inc.» и «Scientific Imaging Technologies, Inc.» (США) создали ПЗС-фотоприемник для приборов ночного видения, обладающий хорошим разрешением и низким уровнем шума. Низкоуровневые ИКС на основе этого твердотельного приемника продемонстрировали возможность успешно соперничать с приборами ночного видения на базе ЭОП в условиях слабой естественной освещенности ( до 10 лк). Для очень слабых освещенностей некоторое преимущество при решении задач по распознаванию целей типа «танк» на дальностях до 500 м сохраняют приборы с ЭОП.
В качестве примера систем, создаваемых на базе ПЗС-камер серии Pluto, можно отметить низкоуровневую ИКС для оружейных прицелов, которая имеет следующие основные параметры:
* формат ПЗС 652x488 с размерами пиксела 12 х 12 мкм,
* динамический диапазон выходных сигналов 14 бит,
* уровень шума 18…30 электронов на частоте 5 МГц,
* частота кадров 30 Гц
Система имеет ручную и автоматическую установку усиления сигналов и их контроля, схему двухточечной коррекции неоднородности чувствительности отдельных пикселов, а также двухступенчатый термоэлектрический холодильник.
Конструкция ПЗС-фотоприемника предусматривает его «обратную» подсветку, т. е. облучение со стороны подложки из InP, на которую в процессе изготовления МПИ наносится тонкий фоточувствительный слой InGaAs (порядка 1 мкм), на него - очень тонкий контактный слой, а затем тонкий слой высокоомного кремния, на котором формируются ячейки хранения и передачи зарядов, генерируемых приходящим излучением. Такая монолитная конструкция обеспечивает очень высокую квантовую эффективность - более 95% вместо обычных 80% у гибридных фото-ПЗС на базе КРТ с фронтальным облучением; меньшие размеры пиксела (12 мкм вместо 50 мкм), поскольку чувствительный слой не экранируется контактным столбиком; меньший уровень шума (порядка пяти электронов вместо 50 у гибридных KPT-ПЗС). Абсолютная спектральная чувствительность фото-ПЗС с обратной подсветкой примерно в два раза больше, чем у фото-ПЗС с фронтальной подсветкой и у ЭОП III с фотокатодом из GaAs. Диапазон спектральной характеристики фото-ПЗС на InGaAs составляет 0,4... 1,7 мкм. При использовании специальных просветляющих покрытий можно обеспечить квантовую эффективность 50% для коротковолновой границы спектральной характеристики 0,2 мкм, что важно для ряда практических применений в спектроскопии, в системах противоракетной обороны и др.
Успехи в создании новых схем считывания на ПЗС-структурах позволяют надеяться на появление схем считывания с уровнем шума менее 12 электронов и частотой до 35 мГц.
Рис.10 Схема ПП ПЗС
3. ИК - системы наблюдения и обнаружения
3.1 Тепловизоры
Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы - тепловизоры или термографы, которые позволяют улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.
Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство - “холодильник”. Наиболее примитивный, неудобный и самый распространенный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур, но носить с собой сосуды Дьюара очень неудобно. Другой вид - посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.
Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной). Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.
Области применения методов тепловидения.
Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельных участков поверхности) в несколько сотых градуса. Это значит, что если вы при входе в свою парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловой отпечаток будет виден на этой ручке целых полчаса. Даже дома при выключенном свете вы будете светить как маяк даже через занавеску. В метро можно спокойно отличить людей, которые только что вошли. А наличие насморка у человека можно наблюдать на расстоянии в несколько сотен метров. О распознавании недавно выключенной машины или о том, кто и когда сидел на данном кресле даже нечего и говорить.
Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с не очень высокой точностью, вызванной промежуточными конструкциями.
Таким образом, тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло- и массообмена, атмосферных явлений становиться на порядки удобнее, проще, информативнее.
Также, широкое применение получило тепловидение и в медицине. В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.
У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокой или низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самых ранних стадиях их возникновения.
Термография -- метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме, в частности как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое значение, о чем свидетельствуют многочисленные клинические исследования.
Выделяют два основных вида термографии: контактная холестерическая термография, телетермография. Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора. Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим--синий. Нанесенные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочувствительностью в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярной структуры.
3.2 Системы инфракрасного видеонаблюдения
Инфракрасная система наблюдения использует инфракрасную камеру для наблюдения за людьми или охраняемыми зонами, которые охватывает система. В электромагнитном спектре, инфракрасные волны занимают место между видимым светом и радиоволнами. Все, что испускает тепло - распространяет инфракрасное излучение. Инфракрасный детектор (ИК-датчик) воспринимает инфракрасное излучение, и, следовательно, может обнаружить вещи, которые, возможно, не были обнаружены с помощью других систем наблюдения. По этой причине, ИК-наблюдение является полезным в различных сферах, включая поддержание электрических или других связанных с жарой систем и процессах, для охраняющих зон в ночное время, и исследования различных условий окружающей среды. ИК-камера видеонаблюдения использует специализированный объектив для фокусировки на ИК-излучении от объектов и до них. ИК-детекторы создают термограмму, которая показывает образцы температуры, если таковые имеются у этих объектов. Термограмма затем преобразуется в электрические импульсы и направляются в блок обработки.
Рис.11 Система видеонаблюдения Infiniti Electro Optics Viper PTZ Camera
Есть целый ряд важных операций по техническому обслуживанию, которые выигрывают от систем ИК-наблюдения. Они могут помочь предсказать потребности в техническом обслуживании линий электропередачи, например, предотвращая аварийную ситуацию. В зданиях, они могут обеспечить раннее обнаружение нарушений в изоляции, окон и кровли. Другое использование инфракрасного наблюдения является нахождение утечек газа, будь то летучих органических соединений (ЛОС) или парниковых газов. Обнаружение этих проблем может позволить исправления перед тем, как большие проблемы разовьются.