Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Телевизионным передающим трубкам и системам на их основе посвящено много публикаций. Рассмотрение их особенностей не входит в круг затрагиваемых нами во­просов. Однако, поскольку телевизионные системы часто решают задачи, аналогичные тем, что стоят перед ИКС, и области их применения частично перекрываются, целесо­образно кратко описать эти приборы, тем более, что в телевизионной технике в послед­ние десятилетия четко наметилась тенденция использовать твердотельные многоэле­ментные приемники в качестве важнейших звеньев этих систем.

Большинство передающих телевизионных электровакуумных трубок и систем на их основе, в том числе и системы низкоуровневого телевидения (НУТ), используемые при очень малых освещенностях наблюдаемой сцены, работают в видимом диапазоне спек­тра. То же самое можно сказать и о системах, использующих твердотельные МПИ, прежде всего ПЗС-матрицы (системы твердотельного телевидения). Для очувствления телевизионных систем в ИК-области спектра создаются специальные передающие трубки, фотокатоды которых работают в этой области (в большинстве своем — в ближ­ней ИК-области), а также гибридно-модульные преобразователи изображения, о кото­рых говорилось в §8.1.

Чувствительность телевизионных ИК-систем удается повысить, используя активно­импульсный режим работы (см. рис. 1.3), реализуемый с помощью лазеров и лазерных светодиодов. (Как отмечалось в предисловии, активно-импульсные или другие ОЭС с подсветкой в ИК-диапазоне здесь не рассматриваются.)

До начала 80-х годов передающие телевизионные трубки (ТУ-трубки) преимущест­венно выполнялись в виде электровакуумных приборов с фотоэмиссионными фотока­тодами, работающими на основе внешнего фотоэффекта. Из отечественных ТУ-трубок без накопления заряда, чувствительных к ИК-излучению (до длин волн порядка 1,1 мкм),
можно отметить диссекторы типа ЛИ608 и ЛИ608-1, имеющие серебряно-кислородно- цезивые фотокатоды. Темновой ток этих диссекторов составляет 5-10-7 А (максималь­ный), разрешающая способность 125 лин/мм в центре поля.

Поскольку область спектральной чувствительности ТУ-трубок, в которых ис­пользуются фотоэмиссионные катоды (трубок с внешним фотоэффектом), ограни­чена X = 1,3... 1,4 мкм, а квантовый выход фотокатодов мал, больший интерес для ИКС

Представляют трубки с мишенями на осно­ве внутреннего фотоэффекта. Наиболее распространенными трубками этого типа являются видиконы (рис. 8.15). Мишень 1 с фотопроводящим слоем заряжается уз­ким, сканирующим по ее поверхности лу­чом 2. За время кадра происходит зарядка всей рабочей поверхности мишени. Сопро­тивление отдельных ее участков, а следо­вательно, и степень ее разрядки в процессе сканирования зависят от их освещенности. Ток во внешней цепи мишени создает ви­деосигнал Ув, повторяющий рельеф осве­щенности на мишени. Формирование электронного луча и управление его движением осуществляются электронным прожектором 4 и фокусирующе-отклоняющей системы (ФОС) 3, обычно «одеваемой» на электровакуумную трубку 5. Мишень видикона пред­ставляет собой тонкий слой фотопроводника, нанесенного на проводящую подложку. Удельное сопротивление фотопроводника подбирается так, чтобы создаваемый на ми­шени потенциальный рельеф накапливался в течение всего времени кадра.

Видиконы с электростатической фокусировкой и отклонением луча не имеют внеш­них ФОС, что заметно снижает массу, габариты и энергопотребление системы. Сущест­вуют и видиконы, где фокусировка осуществляется электростатической системой, а раз­вертка - магнитной. Большинство видиконов работают в видимой области спектра. Неко­торые из современных передающих ТУ-трубок чувствительны и к ИК-излучению. Из них наиболее известны приборы с матричными мишенями на основе халькогенидов свинца (РЬБ, РЬБе) или на основе силицидов металлов [32, 151]. Однако из-за малого удельного сопротивления этих материалов темновой ток в этих трубках удается снизить только ох­лаждением, что весьма усложняет и удорожает конструкцию систем на их основе.

Передающая ЭЛТ с кремниевой мишенью (кремникон ЛИ479) диаметром 26,2 мм и длиной 132 мм разработана и выпускается ЦНИИ «Электрон». Больший диапазон спек­тральной чувствительности (0,4...2,0 мкм) и те же габаритные размеры имеет ИК - видикон ЛИ474, у которого темновой ток не превышает 100 нА.

В одной из зарубежных конструкций использовалась сканируемая медленными электронами мишень из монокристалла германия, которая при диафрагменном числе объектива К = 4 и непрерывном охлаждении до 78 К обеспечивала длинноволновую границу чувствительности около 2,5 мкм. С помощью такого видикона можно было
различать объекты с температурой поверхности 180°С, а при К = 1,5 - с температурой 150°С [13].

В ЦНИИ «Электрон» разработан видикон с неохлаждаемой мишенью на базе PbO/PbS (или Pb-O-S) площадью 9,5x12,7 мм, чувствительной в диапазоне спектра 0,4...2,0 мкм [11]. Спектральная токовая чувствительность этого видикона выше, чем у приборов с кремниевыми мишенями, и достигает 200 нА/мкВт на длине волны А, = 1 мкм. Трубка диаметром 26,2 мм и длиной 132 мм с магнитным отклонением и фо­кусировкой электронного луча предназначена для работы в стандартном режиме раз­ложения (625 строк, 25 кадров в секунду, чересстрочная развертка). Максимальное на­пряжение сети не превышает 550 В, а мощность, потребляемая катодом, составляет 0,6 Вт. По чувствительности и спектральному диапазону прибор не уступает зарубеж­ным аналогам, например TV-трубке №2606 фирмы «Hamamatsu» (Япония).

Совершенствование технологии планарных кремниевых структур позволило еще в 80-е годы создать видиконы с мишенями в виде фотодиодных кремниевых матриц с диодами размером 7,5...8,0 мкм и периодом их расположения 20 мкм. К сожалению, они работают только в ближнем ИК-диапазоне (до 1,0... 1,1 мкм), хотя в максимуме спектральной характеристики (около 0,9 мкм) их чувствительность гораздо выше, чем у видиконов с фотоэмиссионной мишенью.

Принципиальными недостатками видиконов и систем на их основе являются невоз­можность выделять слабо нагретые объекты на фонах с высоким уровнем излучения в средне - и особенно длинноволновом ИК-диапазонах спектра, т. е. на большинстве на­земных фонов, где излучение насыщает мишень, а также трудность обеспечить высо­кую однородность чувствительности по площади мишени. По этим причинам видико­ны используются преимущественно при наблюдении сильно нагретых объектов или в условиях очень слабо излучающих фонов, например космических.

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*581, 756*473, 658x496 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 [11, 13,20 и др.].

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 5-105 до 10“7 лк) и имеющие раз­

Решающую 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 [68]. Низкоуровневые ИКС на основе это­го твердотельного приемника продемонстрировали возможность успешно соперничать с приборами ночного видения на базе ЭОП в условиях слабой естественной освещенности (от 10“3 до 10 лк). Как показано в [68], для очень слабых освещенностей (10"Л..Ю-3 лк) 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 12х 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 [68].

Другим направлением совершенствования телевизионных ИК-систем является по­вышение чувствительности ИК ПЗС-матриц до такого уровня, при котором можно бу­дет отказаться от использования ГМП. Один из путей такого повышения — использова­ние метода накопления (сложения) сигнала в нескольких кадрах и автоматический «обмен» разрешающей способности телевизионной системы на чувствительность при низких уровнях освещенности (облученности).

[1] Инфракрасные системы «смотрящего» типа